基于铜的纳米颗粒通过肠道微生物群引发的脂肪酸失调，导致寄生蜂的适应性下降

《Environmental Pollution》：Copper-based nanoparticles trigger fitness decline in parasitoid wasps via gut microbiota-induced fatty acid dysregulation

　　

赵子健|张启超|庞兰|盛一峰|张俊伟|冯婷|于龙涛|史文琦|徐子轩|黄建华|陈建妮

中国浙江省农业大学生物与生态调控作物病原体和昆虫重点实验室，昆虫科学研究所，杭州310058

摘要

基于铜的纳米颗粒（Cu基NPs，例如CuO-NPs和Cu-NPs）作为纳米农药的应用为可持续农业提供了有前景的途径。然而，它们对有益节肢动物（特别是对生物害虫控制至关重要的寄生蜂）的潜在生态毒性效应仍知之甚少。在这里，我们研究了CuO-NPs和Cu-NPs对内寄生蜂Asobara japonica的慢性毒性，并阐明了其作用机制。我们发现，饮食暴露引起的致死性依赖于铜离子的释放，而非颗粒本身。亚致死暴露严重损害了蜂的适应性，导致其寻找宿主的运动能力下降，从而降低了寄生效率。通过整合转录组学和代谢组学分析，我们发现脂肪酸稳态途径中的一些关键基因被下调，进而导致游离脂肪酸水平降低。这种能量动员的紊乱可能影响了维持活动所需的能量供应，从而解释了观察到的运动行为缺陷。此外，基于铜的纳米颗粒暴露还选择性地改变了肠道微生物群，特定细菌属的变化与宿主脂肪酸代谢基因的抑制有关。我们的结果表明，基于铜的纳米颗粒通过破坏肠道微生物群和能量代谢来损害寄生蜂的适应性，这突显了在可持续农业的纳米材料风险评估中需要考虑这些影响。

引言

在过去的几十年里，对化学农药的依赖日益挑战了可持续农业的目标（Deguine等人，2023年）。纳米技术的进步为促进可持续农业实践提供了基于金属的纳米颗粒（NPs）这一创新工具（Kumar等人，2025年）。其中，基于铜的纳米颗粒（如Cu-NPs和CuO-NPs）因其独特的物理化学性质、成本效益和强大的抗菌活性而受到广泛关注（Yimeng等人，2023年）。这些纳米颗粒能有效控制多种作物（包括谷物、蔬菜和水果）的细菌和真菌病害，还可以作为微量营养素补充剂来促进植物生长（Chauhan等人，2023年；Mallikarjun等人，2025年；Cede?o-Moreira等人，2025年）。然而，在农业系统中使用基于铜的纳米颗粒可能对非目标生物构成风险，因此需要对其环境安全性进行彻底评估。

迄今为止，对基于铜的纳米颗粒的生物毒性的评估主要集中在模式生物和水生生物上，包括果蝇Drosophila melanogaster、蚯蚓Eisenia fetida、斑马鱼Danio rerio和硅藻Skeletonema costatum（Alaraby等人，2015年；Unrine等人，2010年；Li等人，2016年；Huang等人，2022年）。例如，Budiyanti等人（2022年）报告称，暴露于CuO-NPs会缩短D. melanogaster的寿命，并损害其攀爬能力和繁殖能力。同样，Cu-NPs也被证明会通过干扰下丘脑-垂体-性腺轴和性腺代谢，在黄鲶鱼Pelteobagrus fulvidraco中诱导生殖毒性（Zhao等人，2023年）。同时，基于铜的纳米颗粒的生物毒性机制也得到了更好的理解。它们的不良影响既来自纳米颗粒本身，也来自铜离子的释放（Wang等人，2022年；Midander等人，2009年）。由于纳米颗粒体积小且表面能高，它们容易吸附在细胞膜上。这种相互作用不仅破坏了磷脂双层，损害了膜完整性，还直接催化了活性氧（ROS，如·OH、H₂O₂和O₂^-）的过量生成，最终导致细胞死亡（Ameh和Sayes，2019年）。铜离子通过取代金属蛋白中的必需金属辅因子（如Zn²⁺、Fe²⁺）并与酶活性位点中的巯基（-SH）高亲和力结合，导致广泛的蛋白质功能障碍和代谢紊乱（Yuan等人，2017年；Tsvetkov等人，2022年）。

寄生蜂占昆虫种类的很大比例（约10-20%），其特征是采用寄生繁殖策略：雌蜂在宿主节肢动物的体内（内寄生蜂）或表面（外寄生蜂）产卵，其后代通过消耗宿主组织发育（Pennacchio和Strand，2006年；Huang等人，2025年）。这种专门的策略使它们成为非常有效的生物控制剂，能够抑制害虫种群并减少对化学农药的依赖（Zhang等人，2024年）。鉴于它们在农业生态系统中的关键作用，环境污染物对寄生蜂的影响已成为主要的研究焦点（J. Wang等人，2025年；Jiang等人，2019年）。然而，现有的研究主要探讨了传统农药对这些蜂的影响，而金属纳米颗粒对其生理和行为的潜在影响仍大多未被探索。

在这里，我们评估了长期暴露于CuO-NPs和Cu-NPs对内寄生蜂Asobara japonica（膜翅目：茧蜂科）的影响，该物种以寄生多种Drosophila宿主而闻名，包括入侵性害虫D. suzukii（斑翅果蝇）（Kamiyama等人，2025年；Zhang等人，2025年）。我们研究了基于铜的纳米颗粒如何影响A. japonica的寿命和寄生能力，并进一步探讨了其毒理学机制。这项工作旨在为评估基于铜的纳米颗粒的生态风险提供关键证据，并指导其在农业系统中的可持续使用。

章节片段

颗粒表征

CuO-NPs粉末（< 50 nm；产品编号544868）和Cu-NPs粉末（25 nm；产品编号774081）从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。在表征之前，每种纳米颗粒在去离子水中以100 μg/mL的浓度分散并超声处理10分钟。使用日立H-7650透射电子显微镜（TEM；日立，茨城县，日本）在80 kV下检查形态和粒径。流体动力学直径、ζ电位和多分散指数

CuO-NPs和Cu-NPs的表征

通过透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）检查了CuO-NPs和Cu-NPs的形态。CuO-NPs和Cu-NPs的代表性TEM图像见图S1。CuO-NPs呈现棒状形态（图S1A），而Cu-NPs主要为球形（图S1C），两种类型在悬浮液中都有形成较大聚集体的趋势。DLS测量表明，CuO-NPs的流体动力学直径为346.6 ± 7.8 nm，ζ

结论

总之，本研究表明，基于铜的纳米颗粒（CuO-NPs和Cu-NPs）主要通过释放铜离子对寄生蜂A. japonica产生毒性，其中Cu-NPs由于具有更高的离子释放能力而表现出更强的效应。长期暴露损害了关键适应性特征，如寄生效率、运动能力和寿命。从机制上看，这两种纳米颗粒都抑制了A. japonica的脂肪酸代谢并降低了游离脂肪酸水平，表明能量

CRediT作者贡献声明

徐子轩：软件处理。史文琦：资源提供。于龙涛：实验研究。冯婷：验证工作。张俊伟：正式分析。盛一峰：方法学设计。庞兰：方法学设计。张启超：资源提供、方法学设计。赵子健：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、实验研究。陈建妮：撰写——审稿与编辑、数据可视化、项目管理、资金筹集、概念构思。黄建华：撰写——审稿与编辑

Wang等人，2025年；Zhang等人，2024年。

数据可用性

转录组和16S rRNA基因测序数据已分别存放在国家生物技术信息中心（NCBI）的BioProject编号PRJNA1407706和PRJNA1409295下。

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢黄实验室的其他成员在准备本手稿过程中提供的技术协助和富有洞察力的讨论。本研究得到了国家自然科学基金（32325044）、中央高校基本科研业务费（226-2024-00070）对J.H.的支持，以及浙江省自然科学基金（LZ26C140002）对J.C.的支持。