同时接触聚苯乙烯微塑料和草甘膦会导致蜜蜂肠道微生物群失衡以及认知能力下降

《Journal of Hazardous Materials》：Co-exposure to polystyrene microplastics and glyphosate induces gut microbiota dysbiosis and cognitive impairment in honeybees

微塑料和草甘膦共同暴露导致蜜蜂死亡率上升、中肠损伤和肠道菌群失调，并影响糖敏感性和脑-肠轴功能，揭示了复合污染对蜜蜂健康的协同毒性机制。

　　

吴一清|秦丽娜|张一萌|贾一帆|吕瑶阳|王年龙|郑浩|李亮|张志静

河北师范大学生命科学学院，中国石家庄

摘要

微塑料作为一种新兴的持久性环境污染物，可以作为生态系统中其他污染物（如农药残留物）的载体。然而，微塑料和农药对传粉者的联合毒理学效应仍知之甚少。在本研究中，我们评估了聚苯乙烯微塑料（PS）和草甘膦（GLY）单独及联合使用对蜜蜂（Apis mellifera）的毒性。虽然20天暴露后体重增加或食物消耗没有显著变化，但PS和GLY的共同暴露显著增加了蜜蜂的死亡率，并导致中肠损伤和微生物群失调。在肠道中，与细胞增殖和分化相关的通路以及与氧化应激、解毒和免疫相关的基因显著下调。此外，PS和GLY的联合使用损害了蜜蜂对蔗糖的反应能力，这是蜜蜂的一种关键认知行为。脑转录组学分析显示，与血清素能突触相关的基因下调，这与肠道细菌Snodgrassella和Lactobacillus的变化相关。我们的发现表明，PS和GLY的共同暴露加剧了肠道稳态的破坏并影响了认知行为，提示了肠道-大脑轴的潜在作用。这项研究扩展了我们对多种环境污染物对昆虫传粉者蜜蜂的综合生态风险的理解，并强调了在昆虫保护中进行全面风险评估的必要性。

引言

蜜蜂是维持生态系统稳定和农业生产力的关键传粉者。然而，由于栖息地丧失、环境污染和农药过度使用等多种压力因素，全球蜜蜂种群正在以惊人的速度下降[1]。作为全球和中国商业养蜂业的主要物种，Apis mellifera是评估农业和环境暴露的重要模型。在新兴污染物中，微塑料因其持续积累和广泛的生态效应而引起全球关注[2]。越来越多的证据表明，微塑料可以通过食物和水被动物摄入，并对肠道和大脑等器官造成结构损伤，从而对发育、行为、免疫和繁殖产生不利影响[3]、[4]。值得注意的是，在中国六个省份和丹麦十九个城市养蜂场收集的蜜蜂中检测到了多种类型的微塑料，包括聚苯乙烯（PS）[5]、[6]。此外，最近的研究证实，蜜蜂可以摄入环境中的微塑料纤维，并将其带入蜂巢，导致蜡、蜂蜜和幼虫中的积累[7]。

草甘膦（GLY）是一种广谱有机磷除草剂，由于其广泛农业应用而产生了大量的环境残留物[8]、[9]，从而对传粉昆虫构成风险。一些研究表明，GLY会干扰蜜蜂的生理和代谢过程，损害幼虫和成虫的行为和发育[10]、[11]、[12]。作为已知的污染物载体，微塑料可以形成微塑料-农药复合物，增强其环境持久性和协同毒性[13]、[14]。例如，同时暴露于吡虫啉和聚乙烯微塑料会通过加剧铁死亡和氧化损伤而增强蚯蚓的毒性[15]。同样，同时暴露于吡虫啉和聚碳酸酯微塑料会导致小鼠更严重的肝脏损伤和肠道微生物群失调[16]。在鲤鱼中，同时暴露于噻虫嗪苯甲酸酯和PS微塑料会引发更严重的免疫功能障碍和中肠炎症[17]。相反，同时暴露于PS和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微塑料对大黄蜂的生存和行为表现出拮抗作用[18]。总体而言，这些发现表明微塑料与共存的压力因素之间的相互作用是复杂且依赖于具体环境的。因此，需要系统地研究PS和GLY对蜜蜂的联合影响。

蜜蜂具有简单且宿主特化的肠道微生物群，主要由五个核心细菌属组成，包括Gilliamella、Snodgrassella、Bifidobacterium、Lactobacillus和Bombilactobacillus[19]。这些常驻微生物在宿主生理中发挥着重要作用，包括免疫调节和有害分子的解毒[20]、[21]。长期暴露于PS会导致其在直肠中积累，引发微生物群失调并下调参与免疫、解毒和抗氧化防御的基因[22]、[23]。同样，GLY暴露会减少Snodgrassella的数量并抑制抗菌肽的表达[24]、[25]。除了免疫作用外，肠道微生物群对蜜蜂的认知行为和嗅觉学习也至关重要[26]。抗生素引起的肠道微生物群紊乱已被证明会导致年轻工蜂的认知缺陷和蜂巢内行为改变[27]。现有证据表明，单独暴露于PS或GLY会降低蜜蜂对蔗糖和花蜜奖励的敏感性，并损害其联想学习和记忆[10]、[28]。然而，PS和GLY共同暴露对肠道微生物群、免疫反应和认知的影响尚未明确。此外，肠道微生物群是否介导这些行为障碍尚不清楚。

本研究旨在阐明PS和GLY的联合毒性及其对肠道-大脑轴的潜在破坏作用。首先，我们评估了PS和GLY单独及联合暴露对蜜蜂的影响，重点关注食物消耗、生长和存活情况。然后分析了中肠病理和肠道微生物群组成的变化。通过整合肠道转录组学和RT-qPCR技术，我们研究了PS和GLY暴露对细胞增殖和免疫反应的影响。同时，通过蔗糖反应能力和脑转录组分析，探讨了神经功能的破坏以及肠道细菌在此过程中的潜在作用。这些发现增强了我们对PS和GLY联合毒性的理解，并提供了关于微塑料-农药污染如何影响昆虫传粉者健康和行为的见解。

部分摘录

化学物质和溶剂

与微塑料相比，纳米塑料由于体积更小，更容易被生物体（包括昆虫）摄入[22]、[29]。为了研究尺寸依赖性效应，我们从BaseLine ChromTech Research Centre（中国天津）购买了直径为70、100和200纳米的纯聚苯乙烯微球（PS）。70纳米和200纳米PS的形态如图S1所示。每种尺寸的PS制备了1毫克/毫升的储备溶液，溶解在50%（重量/体积）的蔗糖溶液中。

PS和GLY对蜜蜂的慢性毒性和协同效应

为了研究聚苯乙烯（PS）、草甘膦（GLY）及其联合暴露对蜜蜂发育的长期影响，蜜蜂被分配到含有PS（70、100或200纳米）、GLY（2.5或10毫克/升）或其组合的饮食中，具体见表1。在整个20天的暴露期间，所有处理组的蜜蜂体重均显示出一致的趋势：前四天体重迅速增加，第7天后趋于平稳（图1A-C）。

为了确认和量化

讨论

在这项研究中，我们系统地评估了不同尺寸的PS和不同浓度的GLY单独及联合使用对蜜蜂生长和健康的影响。结果表明，无论是单独暴露还是共同暴露于PS和GLY，均没有显著影响食物摄入或体重。这一发现与先前的研究一致，即PS单独使用不会改变体重[23]，GLY单独使用也不会影响食物消耗[10]。这些结果

环境意义

PS和GLY的共同暴露对蜜蜂的负面影响比单一污染物更为严重，导致存活率降低、肠道完整性和微生物群组成受损、免疫反应减弱以及认知能力下降。这些发现强调了将联合污染物的相互作用纳入现有环境风险评估框架的必要性。这种方法对于制定保护传粉者种群的基于科学的政策至关重要。

CRediT作者贡献声明

吴一清：撰写——原始草案、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理。秦丽娜：验证、正式分析、数据管理。张一萌：调查、正式分析、数据管理。贾一帆：调查、正式分析、数据管理。吕瑶阳：调查、正式分析、数据管理。王年龙：正式分析、数据管理。郑浩：撰写——审阅与编辑、验证。李亮：撰写——审阅与编辑、验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32300385）、河北省自然科学基金（编号：C202505018）、中国博士后科学基金（编号：2024T170214）、河北省教育厅科研项目（编号：BJK2024185）以及河北师范大学科学基金（编号：L2023B21）的支持。