2022年12月01日，河南科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院孫平教授為通訊作者，張彥坤為第一作者，在環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)1區(qū)Top期刊Science of the total Environment(IF=10.753)上發(fā)表了題為“Effects of polystyrene microplastics acute exposure in the liver of swordtail fish (Xiphophorus helleri) revealed by LC-MS metabolomics. 文章助非靶代謝組解析了聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）對(duì)模式生物劍尾魚(yú)的影響，為了解微塑料對(duì)環(huán)境的潛在影響提供了重要見(jiàn)解。
?研究背景?
微塑料（MPs）是指直徑小于5um的塑料顆粒，主要來(lái)源于塑料制品的分解以及各種生活污水等，分為初級(jí)MPs和次級(jí)MPs，初級(jí)MPs來(lái)源于直接生產(chǎn)的清潔產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品，次級(jí)MPs是大型塑料產(chǎn)品的碎片化產(chǎn)物；MPs廣泛存在于自然環(huán)境中，由于MPs體積極小會(huì)很容易被動(dòng)物攝入；雖然微塑料的存在已經(jīng)被廣泛關(guān)注，但是其對(duì)水生生物的影響仍然不清楚具體生理機(jī)制。魚(yú)幼體攝入的MPs可能會(huì)積聚在鰓、肝臟和腸道中，然后引起肝臟、膽囊和腸道的物理磨損和明顯的組織病理學(xué)變化，MPs可以抑制生長(zhǎng)發(fā)育，顯著增加魚(yú)幼體的總死亡率。
苯乙烯微塑料是最常見(jiàn)的MPs之一，PS-MPs會(huì)嚴(yán)重影響免疫系統(tǒng)，引起免疫調(diào)控和氧化應(yīng)激的失調(diào)，破壞魚(yú)類(lèi)內(nèi)分泌，引起魚(yú)類(lèi)腸道菌群失調(diào)。肝臟作為主要的排毒器官，可以用于研究Ps-MPs在代謝產(chǎn)物水平上對(duì)生物肝臟的影響。劍尾魚(yú)是一種卵胎生小魚(yú)，產(chǎn)卵時(shí)間短(1 - 1.5個(gè)月)，是環(huán)境毒理學(xué)研究的理想品種。
本研究采用聚苯乙烯微塑料，使模式生物劍尾魚(yú)暴露于不同濃度的聚苯乙烯微塑料環(huán)境中，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組，對(duì)兩組劍尾魚(yú)的肝臟進(jìn)行取樣，借助LC-MS進(jìn)行代謝組學(xué)分析，鑒定聚苯乙烯微塑料對(duì)劍尾魚(yú)肝臟的影響。
本研究的目的是:(1)通過(guò)LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)研究短期Ps-MPs暴露對(duì)劍尾魚(yú)肝臟代謝產(chǎn)物的影響;(2)估算生物在短期內(nèi)大量接觸聚苯乙烯微珠時(shí)的危害。
研究思路
本研究采用劍尾魚(yú)為研究對(duì)象，設(shè)置實(shí)驗(yàn)組（暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境中，1um）和對(duì)照組，采集處理后的劍尾魚(yú)的肝臟，使用LC-MS進(jìn)行代謝組學(xué)分析。其中實(shí)驗(yàn)組設(shè)置兩組濃度（1 × 10? microspheres L?1, 1 × 10? microspheres L?1）。
聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）會(huì)顯著改變劍尾魚(yú)肝臟的代謝特征：葡萄糖、脂質(zhì)和氨基酸代謝以及攝食、生長(zhǎng)和免疫功能通路。同時(shí)濃度越高，其影響就越大。
?研究結(jié)果
1.??劍尾魚(yú)代謝組主成分分析
主成分分析可以直觀地顯示對(duì)照組與微塑料暴露組肝臟的差異。在PCA評(píng)分圖中，兩種濃度Ps-MPs處理的劍尾魚(yú)肝臟與對(duì)照組顯著分離。
2.代謝物單變量統(tǒng)計(jì)分析
在(FC > 2 or FC <0.5) 和 t-test (p < 0.05)的差異篩選標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，篩選差異代謝產(chǎn)物，對(duì)照組與低濃度PS-MPs組肝臟中許多代謝產(chǎn)物發(fā)生了明顯變化，其中5780種代謝產(chǎn)物上調(diào)，6621種代謝產(chǎn)物下調(diào)；在對(duì)照組與高濃度PS-MPs組中，有6262種代謝物上調(diào)，6139種代謝物下調(diào)；
在對(duì)照組與低濃度PS-MPs組中，數(shù)據(jù)分析鑒定到了37種顯著差異的代謝物，在對(duì)照組與高濃度PS-MPs組組中，數(shù)據(jù)分析鑒定到了103種顯著差異的代謝物。
然后選擇代謝途徑中可以標(biāo)注的代謝物，對(duì)照組與低濃度PS-MPs組選擇10個(gè)顯著差異的代謝物，對(duì)照組與高濃度PS-MPs組選擇16個(gè)顯著差異的代謝物，見(jiàn)下表
3.?重要的差異代謝產(chǎn)物
在A組和B組中，差異代謝物的主要代謝途徑為核黃素代謝、泛酸和CoA生物合成、亞油酸代謝、組氨酸代謝、咖啡因代謝、不飽和脂肪酸生物合成、氨基酸生物合成、β-丙氨酸代謝、精氨酸生物合成、氨?；? tRNA生物合成（圖a）；A組和C組差異代謝物的主要代謝途徑為色氨酸代謝、嘌呤代謝、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成、mTOR信號(hào)通路、亞油酸代謝、氨基酸生物合成、β -丙氨酸代謝、精氨酸和脯氨酸代謝、氨基?；? tRNA生物合成和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(圖b)。兩個(gè)表格分別展示了前10種代謝途徑所含的代謝物。
?結(jié)果討論
本研究探討了聚苯乙烯微塑料對(duì)劍尾魚(yú)肝臟代謝組的影響，結(jié)果表明：聚苯乙烯微塑料對(duì)劍尾魚(yú)的肝臟相關(guān)代謝通路造成的顯著的影響，其中能量代謝和脂質(zhì)代謝相關(guān)通路被顯著富集，同時(shí)聚苯乙烯可能會(huì)引起劍尾魚(yú)肝臟氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡。
近年來(lái)，mps對(duì)水生生物的負(fù)面影響不斷被報(bào)道。然而，高濃度Ps-MPs對(duì)肝臟代謝產(chǎn)物的影響卻鮮有報(bào)道。肝臟代謝紊亂與疾病的病理生理學(xué)和污染物的毒理學(xué)密切相關(guān)，因此本研究選取劍尾魚(yú)肝臟進(jìn)行代謝組學(xué)研究。
在PS-MPs的低濃度組和高濃度組中的比較中，研究發(fā)現(xiàn)一些與抗氧化功能相關(guān)的代謝產(chǎn)物與肝臟抗氧化相關(guān)的代謝產(chǎn)物的上述代謝水平部分被打亂，說(shuō)明高濃度的Ps-MPs加劇影響了劍尾魚(yú)肝臟的抗氧化功能。Ps-MPs可降低魚(yú)的免疫功能，在本研究中發(fā)現(xiàn)劍尾魚(yú)暴露于Ps-MPs時(shí)，一些免疫相關(guān)代謝產(chǎn)物受到影響（亞油酸和花生四烯酸顯著減少）。亞油酸和花生四烯酸可以提高魚(yú)類(lèi)的免疫力。因此，研究推測(cè)Ps-MPs會(huì)干擾劍尾魚(yú)的免疫力。研究結(jié)果中，麥芽三糖顯著降低，并在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的代謝途徑中富集。麥芽糖三糖水平的降低可能表明高分子轉(zhuǎn)運(yùn)被抑制。
Ps-MPs顯著降低了氨基酸的水平，以及Ps-MPs濃度與氨基酸數(shù)量之間的劑量效應(yīng)。這一現(xiàn)象說(shuō)明Ps-MPs引起氨基酸代謝紊亂：l -瓜氨酸顯著降低，這意味著Ps-MPs可能會(huì)干擾劍尾魚(yú)肝臟的脂質(zhì)代謝和抗氧化能力；l-苯丙氨酸缺乏會(huì)導(dǎo)致飼料利用率降低、生長(zhǎng)性能下降和魚(yú)類(lèi)抗氧化劑的減少；l-脯氨酸缺乏會(huì)降低抗氧化能力和免疫反應(yīng)；l-組氨酸的代謝水平顯著降低；l-組氨酸與水生生物的飼料利用率和生長(zhǎng)性能密切相關(guān)；l -亮氨酸可以增強(qiáng)免疫力，影響營(yíng)養(yǎng)代謝和動(dòng)物生長(zhǎng)。研究推測(cè)Ps-MPs可能會(huì)干擾魚(yú)類(lèi)的抗氧化能力、免疫反應(yīng)和生長(zhǎng)。
研究發(fā)現(xiàn)高濃度的Ps-MPs對(duì)抗氧化劑相關(guān)代謝產(chǎn)物及其免疫功能有影響。這些發(fā)現(xiàn)與其他研究人員之前的發(fā)現(xiàn)相同。另外在高濃度PS-MPs組中觀察到更多的氨基酸被干擾，這意味著Ps-MPs濃度的增加可能會(huì)更嚴(yán)重地干擾生物體肝臟中的氨基酸代謝。
參考文獻(xiàn)
Zhang YK, Yang BK, Zhang CN, Xu SX, Sun P. Effects of polystyrene microplastics acute exposure in the liver of swordtail fish (Xiphophorus helleri) revealed by LC-MS metabolomics. Sci Total Environ. 2022 Dec 1;850:157772. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.157772. Epub 2022 Aug 5. PMID: 35934030.
