微塑料（MPs）污染物广泛分布在全球海洋环境和湿地系统中，众多生物可在水生食物网中摄取并累积体内，从而引起物理毒性及一系列生化反应，威胁生命健康。因此，生态系统中微塑料在的存在增加了对敏感水生环境造成破坏的风险，凸显了迫切需要解决微塑料造成的干扰问题。目前有关污染物敏感性的研究较为谨慎，强调应利用现有的水质测试来保护最敏感的物种，这对维护生态系统完整性至关重要。然而，研究往往只局限于少数几个物种，而忽视了在生态系统中占据重要生态位，且对环境变化极为敏感的淡水质量指示生物——蜻蜓。并且，迄今尚未有研究从分子水平上，揭示微塑料对蜻蜓毒理学效应。

为深入探讨微塑料对水生生物的影响，本研究选取长叶异痣蟌（Ischnura elegans）稚虫为研究对象，以聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）为胁迫条件，整合其生理、行为和多组学（转录组、代谢组和微生物组）数据，进行了全面的毒理学研究。研究结果表明（图1）：短期暴露于较低浓度PS-MPs（<10 mg/L）对稚虫的体重和存活率无显著影响；随着PS-MPs浓度的增加，稚虫的活动和运动倾向有所下降，但无显著性差异。转录组和代谢组学联合分析表明，PS-MPs在稚虫体内激发了一系列生化反应，氧化应激增强，氨基酸和脂肪酸代谢途径发生改变，并可能导致能量代谢失衡和细胞损伤。同时，在PS-MPs胁迫下，稚虫肠道菌群结构发生改变，物种丰富度增加，但各类群比例和优势类群却保持相对稳定；在门级阶元水平上，厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）相对丰度明显增加。

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图1 蜻蜓稚虫（参照组vs PS-MPs实验组）在行为、代谢组、转录组和微生物组分析对比结果（引自原文）

基于其上分析结果，我们将稚虫对PS-MPs胁迫做出的毒性响应机制提出了假设（图2）：由于MPs可增强生物体内活性氧（ROS）产生，从而激活抗氧化机制并改变细胞代谢途径。由此推测，在PS-MPs压力之下，稚虫将会通过调节与能量代谢相关的各种酶和代谢物来进行应对，这一推测得到了实验结果中琥珀酸半醛和富马酸累积以及参与酪氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及脂肪酸合成途径的特定基因富集等数据所支持。其次，富马酸以及IDH3B（异柠檬酸脱氢酶β）、SdhB（琥珀酸脱氢酶β）和ACO2（aconitase 2）等基因富集于三羧酸循环途径，表明PS-MPs的暴露可能会通过增加ROS水平触发稚虫的氧化应激，从而抑制参与TCA循环的某些酶（如FH）的活性，导致中间产物如富马酸的积累。为了恢复能量平衡并减轻氧化损伤，细胞上调了IDH3B和SdhA等基因以增强TCA循环功能。同时，ACO2表达的酶的上调可以加速柠檬酸的产生，从而增加细胞能量输出，增强抗氧化防御。此外，在PS-MPs胁迫下，稚虫肠道菌群结构发生改变，尤其是厚壁菌门和变形菌门增加，这可能与引发炎症反应、加重氧化应激和行为抑制有关。

图2 蜻蜓稚虫在PS-MPs胁迫条件下的分子响应机制示意图（引自原文）

这项研究结果表明，即使在短时间内，微塑料也会对生命健康造成潜在的危害，强调了对水生环境中微塑料污染进行有效管理的紧迫性。同时，研究方法为全面评估微塑料对水生生态系统的影响提供了新的视角，研究成果不仅加深了对微塑料生态毒性的认识，也为制定相关环境保护政策提供了科学依据。

上述研究结果，近期发表在Ecotoxicology and Environmental Safety（中科院二区Top，Q1，Toxicology： 9/106，IF 6.2）上。河北大学生命科学学院硕士生孙琳、程中燕为论文的共同第一作者，杨玉霞教授、刘浩宇副教授为共同通讯作者。化学与材料科学学院王美副教授、魏超副教授为共同作者。该研究得到了国家自然科学基金（No. 32270491）、河北省自然科学基金（No. C2022201005）和河北大学自然科学交叉研究项目（No. DXK202302）资助。

论文信息：

Sun Lin, Cheng Zhongyan, Wang Mei, Wei Chao, Liu Haoyu*, Yang, Yuxia*. 2024. A multi-levels analysis to evaluate the toxicity of microplastics on aquatic insects: a case study with damselfly larvae (Ischnura elegans). Ecotoxicology and Environmental Safety, 289, 117447.  

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.117447