大型溞（Daphnia magna）对微囊藻毒素LR（Microcystin-LR）的颗粒相关暴露

《Environmental Pollution》：Particle-Associated Exposure of Microcystin-LR in Daphnia magna

微囊藻毒素-LR（MC-LR）毒性受颗粒载体吸附影响显著，研究显示吸附PS颗粒的MC-LR导致水蚤生存率、繁殖率下降及能量代谢改变，转录分析揭示抗氧化、解毒及氧运输通路激活，FTIR和XPS证实颗粒表面含氮氧基团，多变量分析显示颗粒吸附与游离MC-LR生物响应模式不同，需将颗粒相关暴露纳入生态风险评估。

　　

金娜妍（Namyeon Kim）| 金基泰（Ki-Tae Kim）| 李承宇（Seung-Woo Lee）| 郑恩满（Eui-Man Jung）| 李恩熙（Eun-Hee Lee）

韩国釜山国立大学微生物学系，釜山46241

摘要

尽管越来越多的证据表明，通过颗粒物摄入的途径会显著改变微囊藻毒素-LR（MC-LR）的生物利用度和毒性，但生态风险评估主要仍基于其自由溶解状态下的暴露情况。本研究使用聚苯乙烯（PS）颗粒作为明确的颗粒模型系统，探讨了当MC-LR通过颗粒载体暴露时其毒性的变化。设置了四种暴露情景：对照组、仅含PS的颗粒、自由溶解的MC-LR以及吸附有MC-LR的PS颗粒，以区分颗粒本身的影响与颗粒相关毒素传递对大型溞（Daphnia magna）的影响。自由溶解的MC-LR仅引发了轻微的氧化反应，而吸附有MC-LR的PS颗粒则引发了最显著且全面的生物反应，包括存活率和繁殖力下降、能量代谢改变，以及抗氧化、解毒、运输和氧气运输相关通路的广泛转录激活。对肠道回收颗粒的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示，颗粒表面发生了含氮和含氧的功能化变化，这与肠道通过过程中的变化一致。多变量分析进一步证明，与颗粒相关的暴露与自由溶解的MC-LR相比产生了不同的生物反应特征。这些结果表明，MC-LR的毒性强烈依赖于暴露形式，而通过颗粒载体（此处以PS颗粒为代表）的传递方式可以通过促进摄入和延长在肠道中的停留时间来改变其毒性。这些发现强调了将颗粒相关蓝藻毒素暴露纳入生态风险评估框架的必要性。

引言

微囊藻毒素（MCs）是一类由微囊藻属（Microcystis）、鱼腥藻属（Anabaena、Planktothrix和Aphanizomenon等蓝藻产生的肝毒素，它们通常与有害藻华有关（Preece等人，2017年）。MCs是环状七肽，通过与活性位点中的丝氨酸和苏氨酸残基共价结合来抑制蛋白磷酸酶1和2A（Melaram等人，2024年），从而破坏细胞磷酸化过程并导致生物体肝细胞损伤和氧化应激。在淡水环境中鉴定出的300多种MCs同系物中，微囊藻毒素-LR（MC-LR）是最普遍且毒性最强的（Melaram等人，2024年）。世界卫生组织（WHO）为饮用水中的MC-LR制定了1 μg L^-1的临时指导值，以保护人类健康免受其强烈毒性的影响（Rajpoot等人，2025年）。尽管有这一监管标准，但由于富营养化和气候变化导致的温度升高，其全球范围内的存在显著增加（Chatterjee和More，2023年）。最近的监测研究表明，超过一半的淡水样本超过了WHO的指导值（Chatterjee和More，2023年；Turner等人，2018年），这突显了MC-LR污染带来的日益严重的生态和公共卫生风险。然而，当前的生态风险评估主要依赖于MC-LR的溶解浓度，隐含地假设自由溶解的MC-LR暴露能够充分代表生物体内的吸收情况。

新的证据表明，这种评估可能低估了实际的生物暴露程度。MC-LR可以与悬浮颗粒和有机物质结合，改变其传输、生物利用度和吸收途径（Esterhuizen等人，2021年；Faulkner等人，2025年）。在这种情况下，由于颗粒材料具有较大的表面积和特定的物理化学性质，它们容易与溶解的有机污染物和毒素发生相互作用（Arienzo等人，2021年；Chen等人，2024年；Kim等人，2023年；Wang等人，2019年）。这些相互作用表明，颗粒载体可以促进MC-LR的持久性、重新分布和通过摄入途径的吸收，从而改变其在水生生态系统中的命运和营养级转移。因此，尽管包括微塑料在内的人为颗粒在环境相关浓度下通常被认为具有有限的固有毒性，但人们越来越关注它们改变共存污染物暴露动态和表观毒性的能力，而不仅仅是作为主要毒性物质。

尽管对MC-LR的毒性已有大量研究，但大多数评估仍集中在自由溶解状态下的暴露上，而颗粒相关传递途径仍知之甚少。特别是当MC-LR通过吸附作用物理结合到颗粒表面时的暴露情景，尚未得到足够的毒理学关注。对于MC-LR而言，这种颗粒相关暴露尤为重要，因为其在水生生物体内的吸收受到摄入途径的强烈影响，而不仅仅是被动扩散。然而，大多数先前的研究仅简单地将溶解的MC-LR与颗粒材料共同暴露（Lin等人，2023年；Lyu等人，2025年；Zuo等人，2021年），而没有考虑MC-LR预先吸附到颗粒上时发生的物理化学相互作用和暴露动态的变化。因此，颗粒相关MC-LR的毒理学影响——这一暴露情景并未被传统的溶解相毒性评估所涵盖——仍然很大程度上未被探索。

在这项研究中，我们使用聚苯乙烯（PS）颗粒作为模型颗粒系统，探讨了颗粒相关暴露如何改变大型溞（Daphnia magna中对MC-LR的毒性反应。通过比较自由溶解的MC-LR和吸附在PS颗粒上的MC-LR（使用名义上匹配的总MC-LR浓度），我们旨在确定颗粒相关暴露是否改变了生物体的反应。通过整合存活率、繁殖力、氧化应激生物标志物和转录反应，并结合颗粒特性和多变量分析，我们试图阐明潜在的暴露驱动机制。这项工作旨在通过强调暴露形式的重要性，而不是仅仅依赖溶解浓度，来完善MC-LR的生态风险评估。

试剂和材料

使用未经人工老化处理的PS颗粒（250纳米；Spherotech公司，美国伊利诺伊州莱克福里斯特）作为颗粒载体，生成吸附了MC-LR的PS颗粒。MC-LR-吸附PS颗粒的制备方法如2.3节所述。这些颗粒是未经任何表面修饰的非功能化PS微球，在实验前未进行人工老化或风化处理。暴露介质中的水动力直径为247.7 ± 0.59纳米

实验设计及MC-LR-吸附PS颗粒的特性

图1A展示了用于评估MC-LR通过PS颗粒颗粒相关暴露的实验设计示意图。设置了四种暴露情景：对照组（无暴露）、仅含PS颗粒、自由溶解的MC-LR以及吸附有MC-LR的PS颗粒。该设计允许直接比较自由溶解和颗粒相关毒素的暴露情况。在生理、生化和转录水平上评估了毒理学终点

讨论

本研究探讨了颗粒相关暴露如何改变大型溞（D. magna）中对MC-LR的毒性，重点关注PS颗粒作为颗粒载体在改变MC-LR暴露途径和相关生物反应中的作用。通过整合生理、生化和分子层面的终点，我们发现长期暴露于PS颗粒、自由溶解的MC-LR以及吸附有MC-LR的PS颗粒会在大型溞中引发特定的生物反应（图2）。显微镜观察显示

结论

本研究表明，与颗粒载体的结合可以显著改变大型溞（D. magna）中对MC-LR的毒性。以PS颗粒作为受控模型系统，结果显示，MC-LR-吸附PS处理引发了独特的综合生物反应，其特征包括：（i）存活率和繁殖力显著下降；（ii）代谢调节模式（LDH活性升高，而ROS、SOD等指标基本稳定

CRediT作者贡献声明

金基泰（Ki-Tae Kim）：资源获取、资金筹集。李承宇（Seung-Woo Lee）：资源获取、研究实施、资金筹集。金娜妍（Namyeon Kim）：撰写初稿、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、研究实施、数据分析、数据管理。李恩熙（Eun-Hee Lee）：撰写与编辑、数据可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。郑恩满（Eui-Man Jung）：软件使用、资源协调、研究实施

未引用参考文献

Stanley等人，2013年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府提供（NRF-2019R1A2C1088541和NRF-2020R1C1C1005743），以及韩国教育部资助的全球硕士/博士学生和博士后（LAMP）项目的支持（项目编号RS-2023-00301938）。此外，还得到了区域创新系统与教育（RISE）计划的支持，该计划由首尔RISE中心实施，资金来源于教育部