海南大学葛成军团队EST副封面｜LDPE-MPs跨代暴露诱导后代赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）产生毒物兴奋响应

生态环境科学 · 公众号 · · 2024-12-07 09:00

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文章信息

第一作者： 赵媛媛

通讯作者：葛成军教授

通讯单位：海南大学

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c05208

亮点

• 证实聚乙烯微塑料（ LDPE-MPs ）具有神经毒性。

• 阐明 LDPE-MPs 的跨代暴露可调控子代赤子爱胜蚓机体能量供给和氨基酸代谢过程。

• 讨论和分析蚯蚓个体应对 LDPE-MPs 的跨代毒性采取的防御策略。

• 强调长期暴露实验在污染物毒效评估研究中的重要性。

研究进展

因其良好的延展性、耐寒性、绝缘性和透气性，低密度聚乙烯（Low density polyethylene，LDPE）已大量应用于农业生产覆膜制造。LDPE的大量使用造成了农业土壤的严重污染，破碎释放的LDPE-MPs可通过多种途径进入农作物和土壤无脊椎动物体内，威胁土壤生态系统和人类健康。然而目前对于LDPE- MPs 对陆生无脊椎动物的跨代毒性仍所知甚少。该研究以土壤无脊椎动物——赤子爱胜蚓（ Eisenia fetida ）为研究对象，以表型响应、组织（表皮与肠道）损伤、生理酶活变化、基因与代谢物水平调控为切入点，聚焦LDPE-MPs的跨代毒性效应及生物防御响应策略，旨在揭示亲子代蚯蚓对LDPE-MPs跨代暴露的毒性响应机制。研究结果表明，LDPE-MPs暴露导致亲代蚯蚓产生生殖延迟并减少了产卵量，子代蚯蚓的孵化率虽较高，但子代个体的生长速率与存活率显著低于对照组（ p ＜0.05）。LDPE-MPs对亲子代蚯蚓个体均具有神经毒性。LDPE-MPs跨代暴露可调控子代蚯蚓体内与能量供给和解毒代谢过程。因此，与亲代个体相比，子代蚯蚓对LDPE-MPs毒性胁迫表现出更高的适应能力（图1）。

图1 图文摘要

随着LDPE-MPs暴露浓度升高，亲代蚯蚓的生物量显著下降（ p ＜0.05，图2a）。与对照组相比，添加量为1%和5%的LDPE-MPs暴露延缓了亲代蚯蚓的产卵行为，且产卵量下降了58.7%-95.5%（图2b）。LDPE-MPs暴露提高了子代蚯蚓个体的孵化量，但高浓度的LDPE-MPs暴露环境可显著抑制子代蚯蚓的生长速率（图2c-d， p ＜0.05）。暴露实验结束时，对照组子代个体存活率超过90%，而LDPE-MPs暴露组的个体存活率仅为62.5%-86.1%（图2e）。

图2 （a）生物量变化；（b）产卵量；（c）子代个体孵化量；（d）暴露35天/70天子代个体生物量；（e）暴露35天/70天子代存活量

与亲代相比，子代个体差异表达基因与差异代谢物的相关度较低（图3a-c）。通过生物酶活测定、转录组学、代谢组学分析可知，LDPE-MPs暴露干扰了蚯蚓个体脂质代谢、精氨酸和脯氨酸代谢过程（图3d-f）。高浓度的LDPE-MPs暴露环境可调控亲子代蚯蚓体内色氨酸代谢过程。由实验结果可知，与亲代个体相比，LDPE-MPs跨代暴露显著影响了子代蚯蚓个体谷胱甘肽代谢、丙氨酸，天冬氨酸与谷氨酸代谢过程（图3d-f）。表明子代蚯蚓个体可通过调控能量资源分配与代谢、激活氧化应激和解毒能力相关代谢过程以提高个体对LDPE-MPs的耐受性。由Mantel分析结果可知（图3g），LDPE-MPs诱发的跨代毒性效应和暴露浓度均与亲子代蚯蚓个体总蛋白（TP）和CAT活性显著相关（ p ＜0.05）。跨代蚯蚓个体AChE活性与其基因表达、代谢物水平变化均具有显著相关性（ p ＜0.05）。子代蚯蚓个体POD和GST活性对LDPE-MPs的响应具有浓度依赖性（ p ＜0.05）。

图3 各处理组差异表达基因与差异代谢物关联示意图及代谢过程流程图

分析蚯蚓个体应对LDPE-MPs跨代暴露采取的防御策略可知，蚯蚓个体可通过调控基因表达，进而显著影响生物酶活性（ p ＜0.05）。结合转录组学与代谢组学研究结果，蚯蚓个体可能通过重新分配能量代谢过程以维持氧化应激和解毒过程所需的高能量消耗，因此最终表型表现为生长迟缓（ p ＜0.05）。此外，子代蚯蚓个体基因表达、存活率和生长率与LDPE-MPs暴露浓度间具有显著相关性（ p ＜0.05）。

图4 LDPE-MPs跨代暴露对蚯蚓个体产生毒性效应及关联性预测

本研究发现LDPE-MPs对跨代蚯蚓均具有神经毒性。LDPE-MPs暴露可显著降低蚯蚓个体的生殖行为，包括延迟产卵时间、减少产卵量和抑制子代蚯蚓个体生长。这可能是由于LDPE-MPs的长期暴露导致蚯蚓生殖细胞质量下降，从而间接影响子代个体的生长发育。经多组学联合分析得知，与亲代相比，子代蚯蚓可通过调控能量代谢、氧化应激和解毒代谢过程，以增强个体在LDPE-MPs污染环境中的适应能力，表现出更加积极的毒性适应性。研究阐明了LDPE-MPs对跨代蚯蚓个体的毒性效应，揭示了蚯蚓个体应对LDPE-MPs跨代毒性效应的生存策略。该研究工作为全面掌握LDPE-MPs的生物毒性效应提供理论依据，为环境污染物毒理研究提供新思路，并强调了长期暴露实验对污染物毒性效应评估的重要性。

作者介绍

葛成军 ，博士，教授，博士生导师，海南大学环境科学与工程学院副院长。担任海南省高等学校环境科学与工程类教指委主任、海南省农林环境过程与生态调控重点实验室主任，海口市环境毒理学重点实验室主任，海南大学环境科学国家一流本科建设专业责任教授。主要从事污染物环境行为与修复、固体废物资源化、资源与环境经济学等研究。在 Environ. Sci. Technol. 、 Appl. Catal. B-Environ. Energy 、 J. Hazard. Mater. 等高水平SCI期刊发表论文80余篇。主持国家自然科学基金面上项目和地区项目、海南省科技人才创新项目、海南省重大科技计划项目、海南省重点研发计划项目、海南省基础与应用基础研究计划（自然科学领域）高层次人才项目等20余项科研项目。

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