1、生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 17 卷 第 6 期 2022 年 12 月Vol.17,No.6 Dec.2022 基金项目:2019 年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC152);海南大学科研基金资助项目(KYQD(ZR)1870)第一作者:张晓飞(1997),女,硕士研究生,研究方向为环境毒理学,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20220114001张晓飞,余秋然,赵宇航,等.聚乙烯微塑料对尼罗罗非鱼(
2、Oreochromis niloticus)生长、抗氧化、免疫和肠道微生物的影响J.生态毒理学报,2022,17(6):301-314Zhang X F,Yu Q R,Zhao Y H,et al.Effect of high density-polyethylene on growth performance,antioxidant capacity,immune functions and intestinalmicrobiota ofOreochromis niloticusJ.Asian Journal of Ecotoxicology,2022,17(6):301-314(in Ch
3、inese)聚乙烯微塑料对尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)生长、抗氧化、免疫和肠道微生物的影响张晓飞1,余秋然2,赵宇航1,石展耀1,周利1,李二超1,谢嘉1,*1.海南大学海洋学院,海口 5702282.华东师范大学生命科学学院,上海 200241收稿日期:2022-01-14 录用日期:2022-03-22摘要:近年来,微塑料作为一类新型污染物引起了国内外的广泛关注。笔者研究了 0、0.01、0.1 和 5 mg L-1的高密度聚乙烯微塑料(high-density polyethylene,HDPE,61 83 m)胁迫尼罗罗非鱼(Oreochromis nilo
4、ticus)28 d 后的毒性效应。结果表明,HDPE微塑料暴露 28 d 后,尼罗罗非鱼的成活率、增重率、肝体比与对照组相比无显著差异(P0.05)。尼罗罗非鱼肝脏丙二醛(MDA)含量在 0.01 mg L-1和 5 mg L-1HDPE 暴露组中显著高于对照组(P0.05);谷胱甘肽转移酶(GST)活性在 5 mg L-1暴露组中显著高于对照组(P0.05),而在 0.1 mg L-1暴露组中酸性磷酸酶(ACP)活性显著高于对照组(P0.05)。尼罗罗非鱼暴露于 HDPE 微塑料 28 d 后,肠道菌群 16S rDNA 测序结果表明,样品中共获得 465 336 条优化序列,操作分类单元
5、(OTU)总数 854 个;与对照组相比,微塑料暴露组尼罗罗非鱼肠道中变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和蓝细菌门的丰度减少,放线菌门丰度增加,但无显著性差异;在 5 mg L-1HDPE 微塑料暴露组中,衣原体门的丰度显著高于对照组(P0.05).The malondialdehyde(MDA)content in theliver ofO.niloticusin the 0.01 mg L-1and 5 mg L-1HDPE groups were significantly higher than that in the con-trol group(P0.05),and the gultat
6、hione S-transferases(GST)activity of 5 mg L-1group was significantly higherthan control group(P0.05).The acid phosphatase(ACP)activity in the 0.1 mg L-1group was significantly higher than that inthe control group(P0.05).In addition,the 16S rDNA sequence results of intestinal microbiota showed that a
7、 totalof 465 336 optimized sequences were obtained after 28 d of HDPE exposure,and the total number of OperationalTaxonomic Units(OTU)was 854.Compared to the control group,the abundance of Proteobacteria,Firmicutes,Bacteroides and Cyanobacteria in the intestine was decreased,while Actinomyces was in
8、creased without significantdifference.The abundance of Chlamydia in the 5 mg L-1treatment group was significantly higher than that in thecontrol group(P0.05).In summary,high-level HDPE exposure could induce oxidative stress and cause adverseeffect on the intestinal microbiota structure ofO.niloticus
9、.All findings in this study could provide scientific evi-dence of toxic effect and potential risk assessment of polyethylene on aquatic organisms.Keywords:high-density polyethylene(HDPE);Oreochromis nilotics;oxidative stress;intestinal microbiota 近年来,塑料被广泛应用于工业、农业生产、医疗卫生和商品包装中,且需求量巨大。当前,塑料产量从 1950 年
10、代的 150 万 t 增加至 2018 年的 3.6 亿t,2018 年中国的塑料产量占世界塑料产量的30%1。然而,塑料废弃物处置不当所引发的环境污染问题,引起了世界范围内的广泛忧虑2。塑料产品在风化和侵蚀后会破碎成较小的碎片,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)将长度5 mm 的塑料碎片定义为微塑料(microplastics,MPs)3。如今 MPs已成为非常受关注的新污染物,因其难降解、在环境中可长距离运输等特性,对生态系统产生的危害引起了全球关注。塑料薄膜残留物的分解、地表径流、污水灌溉和大气沉降等原因,导致了微塑料 MPs 容易在土壤中累积,据调查,工业和农业区域土壤中的MPs 可
11、高达 300 67 500 mgkg-14。但在风力、地下渗透和雨水冲刷的作用下,微塑料 MPs 通过地表径流和河流汇入海洋,使其成为微塑料 MPs 的最终聚集地。据报道,长江口表层水中 MPs 的平均丰度为 900 nm-35-6,珠江三角洲每年估计有 390 亿个(约 66 t)MPs 颗粒从河流汇聚入海7,MPs 最终汇聚入海,在全球近海、大洋、深海和极地海洋表面大约有5.25 万亿个 MPs 颗粒漂浮,总质量可达2.7105t8。MPs 易被水生生物摄入,科学家们在贻贝、鱼类等水生物体内均发现了 MPs 的存在3,9-12。有报道称,当 MPs 进入机体后会导致斑马鱼(zebrafis
12、h)和珊瑚鱼(Acanthochromis polyacanthus)的行为异常、抑制鱼体的生长13-14;使欧州鲈鱼(Dicentrarchus la-brax)15、罗非鱼(Oreochromis niloticus)的免疫防御功能降低、扰乱机体的脂质代谢16。此外,MPs 还会在水生生物的肠道内累积,使机体肠道菌群紊乱17。有研究发现 MPs 可通过影响鱼类肠道菌群组成,进而扰乱机体的营养吸收和能量代谢18;此外,MPs还会导致斑马鱼肠道菌群紊乱从而引起肠道炎症,并诱导机体产生氧化应激19。目前国内外学者已开展了大量有关微塑料对鱼类的毒性效应研究,但微塑料的种类选择多为聚苯乙烯(PS)2
13、0-23,对聚乙烯的毒性效应研究鲜见报道。尼罗罗非鱼是杂食性鱼,具有生长、繁殖快、抗逆性强等特性,是海南省重要的经济养殖鱼类,也是重要的科研用淡水养殖鱼类24-25。因此,本文采用尼罗罗非鱼作为实验对象,研究高密度聚乙烯(HDPE)对其生长性能、生理生化功能以及肠道菌群结构的影响,研究结果可为微聚乙烯塑料对水生生物的毒性效应及其生态风险评估提供科学依据。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 实验材料尼罗罗非鱼仔鱼购自海南省海口市海南昌盛鱼鳖种苗场,驯养 1 周,实验用淡水经 200 目筛绢过第 6 期张晓飞等:聚乙烯微塑料对尼罗罗非鱼(Oreochromis ni
14、loticus)生长、抗氧化、免疫和肠道微生物的影响303 滤,提前曝气 24 h 后备用。高密度聚乙烯粉末,粒径 61 83 m(95.5%),密度约为1 000 n mg-1,购自上海冠步科技有限公司。1.2 实验方法1.2.1 尼罗罗非鱼暴露实验暴露实验在玻璃缸(60 cm30 cm35 cm)中进行,实验水体为 30 L,每组设置 3 个重复,随机选择180 尾(每缸15 尾)大小相近健康幼鱼(23.90.46)g)分别放入 HDPE 浓度为0、0.01、0.1 和5 mg L-1的淡水中,HPDE 暴露浓度的设计依据海南海域实测环境浓度和前期预实验。实验期间连续曝气,每日投喂罗非鱼饲
15、料(约占体质量的 3%)2 次,日换水量100%,暴露 28 d 后进行取样,取样前禁食 24 h,收集鱼脑、肠和肝脏,肝脏称量湿质量,其他分别放入1.5 mL 的无菌离心管中,然后将样品置于液氮中速冻,样品储存在-80 超低温冰箱中待后续分析。1.2.2 生长指标的测定参考25-26的方法,进行生长性能指标的测定:成活率(survival rate,%)=成活数量/总数量100%增重率(weight gain rate,%)=(Wt-W0)/W0100%肝体指数(hepatosomatic index,HI,%)=WI/Wt100%肥满度(condition factor,%)=Wt/Lt3
16、100%式中:W0、WI、Wt和Lt分别为尼罗罗非鱼的初始体质量(g 尾-1),尼罗罗非鱼肝脏质量(g 尾-1),实验终末尼罗罗非鱼体质量(g 尾-1)和终末鱼体长(cm)。1.2.3CAT、T-AOC、AKP、ACP、AChE 酶活性和MDA 含量的测定每组肝脏和鱼脑称重约 0.1 g,用 0.86%预冷的生理盐水溶液制成 10%(V/m)的匀浆。将匀浆液在4 下 2 500 rmin-1离心 10 min。立即提取上清液,接着用酶标仪(Bio-RAD,美国)分析其生化参数。丙二醛(MDA)、过氧化氢酶(CAT)、总抗氧化能力(T-AOC)、碱性磷酸酶(AKP)、酸性磷酸酶(ACP)和乙酰胆碱酯酶(AChE)等试剂盒,均购自南京建成生物工程研究所。1.2.4 16S rDNA 高通量测序检测 MPs 对肠道微生物的影响使用杭州福来纳米技术有限公司提供的商业磁珠 DNA 分离试剂盒,从每个肠道中提取基因组DNA(gDNA)。所有提取的 gDNA 均通过紫外光谱和电泳进行定量,以供进一步分析。此外,采用以下方案通过实时 qPCR 扩增每个样品中的部分 gD-NA:50 2 min,95
