《Toxics》：Sorption of Oxybenzone onto Polystyrene Microplastics Influences Bioavailability and Early-Life Development in Zebrafish (Danio rerio)
Melissa I. Ortiz-Román,
Marielisa Soto-Parrilla,
Karla I. Capó-Romero,
Adriana S. Torres-Rodríguez and
Félix R. Román-Velázquez
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本研究探讨了水体中普遍存在的污染物——二苯甲酮-3（BP-3，一种紫外线吸收剂）与聚苯乙烯微塑料（PS MPs）的联合暴露对斑马鱼胚胎的影响。研究揭示了PS MPs能快速吸附BP-3，显著降低其在水相中的浓度，并在低浓度暴露下减少了斑马鱼幼体组织的BP-3蓄积，表明MPs具有降低短期直接暴露的潜力。然而，PS MPs也可能作为BP-3的载体，增强其环境持久性，并通过摄食等途径影响食物链传递。研究强调了新兴污染物与微塑料相互作用对水生生态系统及生物健康的复杂风险。
1. 引言
海洋塑料污染是近几十年来日益严重的环境问题，其中尺寸在1 μm至5毫米之间的微塑料是主要组成部分。微塑料不仅是物理废物，还能与水体中的其他化合物发生化学相互作用，充当污染物的载体，增加水生生物对有毒物质的暴露风险。二苯甲酮-3作为一种广泛用于化妆品中的紫外线吸收剂，具有环境持久性和生物累积潜力，对多种水生生物的早期生命阶段具有毒性。聚苯乙烯是水生环境中检测到的最普遍的微塑料之一，其化学结构中的芳香环能够与芳香族有机污染物（如BP-3）发生π-π相互作用，使其吸附能力高于聚乙烯等非芳香族聚合物。尽管BP-3的毒性和PS的强吸附能力已被充分了解，但二者共同暴露对水生生物，特别是PS如何调节BP-3的生物有效性和毒性的相互作用效应，目前仍知之甚少。本研究以斑马鱼胚胎为模型，旨在探究PS MPs如何调节BP-3对斑马鱼胚胎的毒性和生物累积，为理解这些普遍存在的水生污染物的环境归趋和联合效应提供依据。
2. 材料与方法
斑马鱼成鱼在自动化的12/12小时光暗循环、水温27 ± 1 °C的条件下饲养。通过特定的交配程序获得胚胎。将BP-3储备液用系统水稀释，制备浓度为0.10、0.30、0.50、1.00和1.50 mg/L的暴露液。每个处理组在含有BP-3溶液的培养皿中加入25 mg粒径为900 μm的PS粉末。实验严格按照经济合作与发展组织的鱼类胚胎急性毒性测试指南进行，设置对照组和五个BP-3浓度实验组，每组设三个重复，每个培养皿放置40个胚胎，连续暴露96小时。每日更换暴露液，并观察记录胚胎的死亡率、发育状况和异常行为。实验结束后，将胚胎置于冰水浴中安乐死。
采用超声辅助乳化液液微萃取结合高效液相色谱-二极管阵列检测器技术，分析暴露水样和斑马鱼幼体组织中的BP-3浓度。组织提取过程同样采用超声辅助乳化液液微萃取法。
为评估PS MPs对BP-3的吸附行为，将含有不同浓度BP-3的测试溶液与PS MPs在摇床上振荡48小时，并在不同时间点取样分析水相中剩余的BP-3浓度。所有统计分析使用Minitab统计软件完成。
3. 结果与讨论
3.1. 视觉检查
在所有BP-3暴露组中均观察到形态异常，而对照组胚胎未发生此类变化。高浓度（1.00和1.50 mg/L）在受精后24小时内即诱发了可见的畸形。最常见的异常包括严重的卵黄畸形、色素沉着缺乏和心包水肿，其中在暴露72小时后，心包水肿在1.00和1.50 mg/L浓度下发生率最高。
文献中报告的可能解释这些发育缺陷的机制之一是BP-3引发的氧化应激。当活性氧的产生超过抗氧化能力时，会导致脂质过氧化、蛋白质羰基化和DNA损伤。过量的活性氧生成会破坏正常的胚胎发育过程，并与水肿和色素沉着受损等形态缺陷有关。由于各处理组的死亡率始终很低，无法可靠计算半数致死浓度。所有BP-3暴露组的孵化模式均呈现时间依赖性进程。在48小时，暴露于0.50和1.50 mg/L BP-3的胚胎孵化率显著低于对照组，表明孵化出现短暂延迟。到72小时，各处理组的孵化率显著增加，至96小时，组间无显著差异。这些发现表明BP-3暴露可能暂时延迟孵化，但不会持续抑制该过程。
3.2. 组织中的BP-3浓度
暴露96小时后，斑马鱼幼体组织中的BP-3浓度随暴露水平增加而升高，呈现总体剂量依赖的累积模式。本研究中，与PS MPs共同暴露的幼体，其组织BP-3水平与先前在相同条件下但无MPs暴露的实验数据相比，显示出浓度依赖性的差异。在较低暴露水平（0.10–0.30 mg/L）下，有MPs存在时组织BP-3浓度低于先前单一污染物数据集；在中等浓度（0.50 mg/L）下，差异微小；在较高暴露水平（1.00–1.50 mg/L）下，有MPs存在时的组织浓度相当或略高。这些发现突显了疏水性紫外线吸收剂与微塑料在斑马鱼早期发育阶段相互作用的复杂性。
3.3. 暴露水中的BP-3浓度
暴露水中残留的BP-3水平随暴露浓度和暴露时间的增加而增加。在所有处理中，测得的浓度始终低于名义值，特别是在后期时间点，这表明幼虫吸收和PS MPs吸附同时发生。残留浓度随时间逐渐增加，可能反映了溶解的BP-3、生物吸收以及发生在MPs表面的吸附-解吸过程之间的动态平衡。在所有暴露处理中，测量到的水相浓度均呈现明确的浓度和时间依赖性趋势。在最低暴露水平（0.10 mg/L），浓度在所有采样间隔期间都保持最低，表明BP-3在PS MPs上发生了强烈的分配以及有效的生物摄取。在中等暴露水平（0.30–0.50 mg/L），残留浓度更稳定且接近名义值，这与MPs吸附容量逐渐饱和一致。这些模式表明，在较低浓度下吸附和摄取过程最为有效，而较高的暴露水平超过了MPs的可用结合容量，导致更多化合物保留在水相中。
分布分析表明，BP-3在幼虫组织和剩余溶液之间的分配具有浓度依赖性，另有一部分根据质量平衡推断与PS MPs相关。在最低暴露水平（0.10 mg/L），大部分化合物保留在溶解相，而较小部分在幼虫组织中回收。在中等浓度（0.30–0.50 mg/L）下，更大比例与组织相关，未回收的部分归因于在MPs上的吸附。在最高暴露水平（1.00–1.50 mg/L）下，BP-3主要在组织和溶液中被检测到。
3.4. PS MPs对BP-3的吸附
为评估PS MPs在BP-3存在下的吸附行为，量化了溶液中剩余化合物的浓度，并在48小时内的多个时间点确定了相应的百分比回收率。在最低初始浓度（0.10 mg/L）下，百分比回收率始终较低，范围在1.47%至42.13%之间，表明BP-3从水相中被大量去除。初始浓度与几乎所有时间点的百分比回收率之间观察到正增长趋势，表明较高的初始浓度导致更多的分析物保留在溶液中。这一趋势支持了PS MPs拥有有限数量的吸附位点，这些位点在较高的分析物负载下逐渐饱和的假说。一旦这些位点被占据，剩余的化合物就会持续存在于溶液中，导致更高的回收率百分比。
疏水性有机化合物（HOCs）具有很强的离开水相并在疏水表面（包括MP颗粒）上累积的趋势。当污染物浓度较低时，吸附是主要过程；然而，在较高浓度下，由于容纳污染物需要更大的分子体积，吸收通常占主导。除了疏水性，多种相互作用机制介导了HOCs与MPs之间的结合，包括静电、π-π、氢键、范德华力和孔隙填充相互作用，其中MP表面的吸附是决定其载体特性的主要过程。先前描述的最低初始浓度（0.10 mg/L）行为表明在PS MPs上发生了强吸附，这与支配MPs和BP-3等有机污染物之间结合的相互作用一致。
在时间变化方面，观察到测量浓度在中间时间出现短暂下降，随后部分恢复，表明污染物在塑料相和水相之间存在动态再分配。这些趋势与先前的报告一致，表明疏水性有机化合物在MPs上的吸附和解吸是时间依赖性过程，具有非瞬时平衡和部分可逆性。这种时间依赖的吸附-解吸行为也解释了在48小时观察到的所有浓度下的高回收率值。尽管BP-3最初分配到PS MPs上，但随着时间的推移，逐渐解吸使系统趋向于有利于水相的平衡，导致在较长暴露时间后回收率百分比接近100%。
统计分析表明，量化的BP-3浓度的时间变化强烈依赖于初始暴露浓度。在最高浓度（1.50 mg/L）下，24小时与多个时间点（包括0–24、2–24、6–24和8–24小时）之间观察到显著差异，表明水相浓度存在可测量的时间变化。在1.00 mg/L时，0小时与24小时以及8小时与24小时之间观察到显著差异，表明吸附动力学随时间逐渐变化。相比之下，在0.5 mg/L时未检测到显著的时间变化。在0.3 mg/L时，观察到4小时和6小时之间存在显著差异，反映了平衡阶段的短暂波动。最低浓度（0.10 mg/L）表现出最大的变异性，在多个时间点之间观察到显著差异，表明在低污染物水平下分配不稳定。
这些统计模式与观察到的回收率百分比一致，并反映了吸附和解吸过程的同时发生。在中等浓度下，百分比回收率显示出中等程度的变异性，表明溶解部分和吸附部分之间存在动态交换。最低的回收率通常出现在24小时后，表明BP-3随时间持续滞留在PS MPs上。相比之下，较高浓度（1.00和1.50 mg/L）表现出稳定且接近或超过100%的回收率，表明水相和固相之间建立了动态平衡，并暗示可用吸附位点已饱和。
在所有处理中，特别是在浓度≥0.30 mg/L时，在前2小时内观察到测量浓度迅速下降，回收率范围约为77%至112%。这种即时减少反映了BP-3在PS MPs上的快速吸附。在4至8小时之间，残留浓度趋于稳定，回收率通常在90–113%之间，表明在暴露早期接近吸附平衡，且解吸最小。在延长暴露时间（24–48小时）下，浓度持续低于名义值，尤其是在较高的处理水平下，证明了PS MPs对BP-3的持续封存。在1.50 mg/L时，残留浓度范围约为1.2至1.6 mg/L（82–106%回收率），进一步支持了吸附的持久性以及没有大量释放回水相。相比之下，在0.10 mg/L观察到的显著时间变异性表明，在低浓度下，有限的吸附位点占据和分析不确定性对测量值的影响更大。
3.5. BP-3与微塑料相互作用及生物学效应
观察到BP-3和PS MPs之间存在动态的吸附-解吸过程。由于海洋和淡水生物可能摄入MPs，这种相互作用对污染物的生物有效性和营养级传递具有重要影响。尽管MPs的存在降低了组织对溶解态BP-3的直接摄取，但被污染的颗粒仍可能被摄食，从而引入了另一种暴露途径。因此，污染物通过食物网的传递可能被改变，潜在地影响多个生命周期阶段并在营养级间传播效应。
水相BP-3有效性的降低直接影响了斑马鱼幼体的生物累积。暴露于PS MPs的幼体组织中的BP-3浓度显著低于无MPs暴露的幼体。水相浓度降低的时间稳定性解释了在96小时观察到的持续较低的组织负荷，支持了PS MPs在暴露期间有效限制BP-3生物有效性的假说。
尽管组织累积减少，斑马鱼胚胎仍表现出短暂的发育效应，包括孵化延迟和后期发育阶段鳔充气异常。这些反应表明，早期生命暴露发生在吸附平衡完全建立之前，或者即使降低的BP-3浓度也足以诱导亚致死效应。重要的是，尽管MPs介导的吸附减少了直接的水相暴露和组织累积，但与PS颗粒相关的BP-3的持久性引入了另一种暴露途径。被污染的MPs可能作为延迟暴露和营养级传递的载体，对摄食它们的更高级生物构成潜在风险。
3.6. 研究局限性
本研究在解释结果时应考虑几个方法学问题。首先，仅MPs的吸附实验进行了48小时，旨在表征受控条件下BP-3在PS微塑料上的短期吸附-解吸动力学。更长的暴露时间可能揭示超出本设计范围的额外慢速解吸或颗粒内扩散过程。其次，在斑马鱼胚胎暴露实验中，仅在终点96小时进行了幼虫组织BP-3定量。中间时间点的组织取样未进行，这限制了解析幼虫体内BP-3的时间摄取动态、代谢过程和再分布的能力。第三，在胚胎暴露实验中，与PS MPs相关的BP-3部分是通过质量平衡计算间接推导的，因为在不破坏生物测定的情况下无法直接定量MPs上的BP-3。最后，研究使用了原始的PS微塑料，不能完全代表环境老化颗粒。风化过程如紫外线暴露、氧化和生物膜形成会改变表面化学并增加吸附容量，可能改变自然环境中BP-3的分配行为。
4. 结论
本研究评估了BP-3对早期生命阶段斑马鱼的毒理学效应及其在与PS MPs共同暴露下的相互作用。BP-3产生了可测量的亚致死发育效应，包括鳔功能受损和色素沉着改变，但没有明确的与处理相关的死亡率增加。组织分析证实了BP-3在不同暴露水平下的生物累积。
共同暴露实验表明，MPs对BP-3摄取的影响是浓度依赖性的。在较低暴露浓度下，PS MPs的存在与较低的组织BP-3水平相关，而在较高浓度下，这种缓解效应并不一致，表明了一种非线性的共同暴露反应。
独立的时间分辨吸附实验证明，在PS MPs存在下，BP-3从水相中被快速去除，最大的吸附发生在暴露的前2-4小时内。较低的初始浓度显示出较低的百分比回收率，表明相对吸附更强。总之，较高浓度在24-48小时内接近平衡，表明吸附位点逐渐饱和。
这些结果表明，MPs可以改变BP-3在水和生物体之间的分布。由于未直接定量与MPs相关的BP-3，吸附估计是基于质量平衡。未来的研究应直接测量吸附容量，并评估摄食介导和营养级传递途径，以更好地界定生态风险。
