聚苯乙烯微塑料对斑马鱼菌群和代谢的影响

发布时间：2020-05-20 12:11

【摘要】：随着近年来塑料产品的广泛使用,微塑料(Microplastics,MPs)已经成为环境中普遍存在的污染物。目前,关于MPs对水生生物的潜在毒性作用已经得到证实。然而,鲜有关于MPs对生物体肠道菌群及代谢相关的影响的报道。本研究使用不同浓度不同尺寸的聚苯乙烯微塑料(Polystyrene microplastics,PS-MPs)对斑马鱼幼鱼及成鱼进行暴露,通过对相关指标进行检测,研究PS-MPs对幼鱼的发育毒性和对成鱼的生理毒性,并重点研究解析PS-MPs对斑马鱼肠道菌群和代谢的影响。首先,为解析PS-MPs对斑马鱼幼鱼肠道菌群和代谢的影响,将斑马鱼胚胎分别暴露于5-和50-μm的PS-MPs溶液中7天,对其肠道菌群组成和代谢谱进行分析。结果显示,PS-MPs不仅改变“门”水平和“属”水平上一些肠道微生物的丰度,还降低了微生物的多样性,显著影响了斑马鱼幼鱼的菌群组成。同时GC/MS代谢组学分析结果表明,PS-MPs暴露引起了斑马鱼幼鱼代谢谱的显著改变。其中,5-μm PS-MPs暴露后斑马鱼幼鱼体内78种代谢物的含量发生了变化,而50-μm PS-MPs暴露造成斑马鱼幼鱼体内121种代谢物的含量发生变化,这些变化的代谢物包括碳水化合物、脂肪酸、氨基酸、核酸等,它们参与能量代谢、糖脂代谢、炎症反应、神经毒性反应、核酸代谢、氧化应激等生化过程。此外,这两种粒径的PS-MPs还显著影响了斑马鱼幼鱼体内HK1、ACO和DGAT2这些糖脂代谢相关基因的转录水平,以上的研究结果表明,PS-MPs暴露能显著改变斑马鱼幼鱼肠道菌群组成,并造成幼鱼代谢的紊乱。其次,为了研究PS-MPs对斑马鱼幼鱼的发育毒性,对PS-MPs暴露后幼鱼游泳行为、神经发育、免疫应答及氧化应激等相关指标进行了检测。结果表明5-和50-μm的PS-MPs暴露影响了斑马鱼幼鱼的游泳行为,并显著抑制了幼鱼体内乙酰胆碱酯酶(AchE)活性和多巴胺(DA)水平,同时抑制了Gfap、Shha、Elavl3及Gap43等神经发育相关基因的转录水平。另外,PS-MPs显著上调了幼鱼体内部分促炎因子的水平及其基因转录水平,显著下调了IL-10和C3的水平及其基因转录水平,诱导了斑马鱼的免疫毒性。同时PS-MPs还通过降低CAT活性和GSH水平诱导了斑马鱼的氧化损伤。最后,为了研究PS-MPs对斑马鱼成鱼的生理毒性,进一步检测了成鱼的体重、体长、肥满度、肝脏中糖脂代谢相关基因的转录水平及相关生化指标。结果显示0.5-和5-μm PS-MPs暴露21天显著影响成鱼的正常生长,导致体重和肥满度显著下降。另外,PS-MPs暴露显著影响了肝脏中GK、HK1、PK、PEPCK、ACO、CPT1、PPAR-alpha及ACC1等糖脂代谢相关基因的转录水平、抑制了TCA循环相关的酶(如α-酮戊二酸脱氢酶及异柠檬酸脱氢酶)的活性,并导致葡萄糖和甘油三酯水平的降低。这些结果表明,PS-MPs暴露会影响斑马鱼的正常生长并导致肝脏代谢紊乱。总的来说,本研究的结果表明,PS-MPs暴露不仅会引起斑马鱼幼鱼肠道菌群的失调和代谢紊乱,对幼鱼造成神经发育毒性、免疫毒性、氧化损伤等发育毒性,同时也可以影响成鱼的生长和肝脏代谢,对斑马鱼造成生理毒性。
【图文】：

幼鱼,斑马鱼,富集,形态

19 2-1 PS-MPs 在水中的形态及其在斑马鱼幼鱼体内的富集情况。(A) 扫描电子显微 50-μm 的 PS-MPs 形态；（B-D）不同尺寸的绿色荧光 PS-MPs 暴露 7 天后，在斑幼鱼体内的富集情况。ure 2-1 Characteristics and ingestion of polystyrene microplastics. (A) The morpholo5- and 50-μm PS-MPs in water detected by scanning electron microscope (SEM); (B-Images of different sizes of fluorescently labeled PS-MPs ingested by larval zebrafish.2 PS-MPs 暴露对斑马鱼幼鱼菌群在“门”水平上的影响q-PCR 结果显示，PS-MPs 暴露改变了斑马鱼幼鱼“门”水平上主要菌度。结果如图 2-2 所示，与对照组相比，斑马鱼幼鱼拟杆菌门的相对丰度在 /L 的 5-和 50-μmPS-MPs 暴露组中显著下降；厚壁菌门的相对丰度在 1000 50-μmPS-MPs 暴露组中显著上升。此外，，γ-变形菌门的相对丰度在 100 和

斑马鱼,幼鱼,菌群

图 2-2 q-PCR 检测 PS-MPs 暴露对斑马鱼幼鱼菌群在“门”水平的影响。（A）5-μm 的 PS-MPs 暴露 7 天后，斑马鱼幼鱼菌群在“门”水平上的变化；（B）50-μm 的 PS-MPs 暴露 7天后，斑马鱼幼鱼菌群在“门”水平上的变化。暴露浓度分别为 100 和 1000 μg/L。*表示与对照组有显著差异，**表示差异极显著（*p<0.05；**p<0.01）。Figure 2-2 Effects of PS-MPs exposure on the composition of microbiota at phylum level inlarval zebrafish detected by q-PCR. (A) Relative abundance of the bacteria at the phylumlevel in larval zebrafish after exposure to 100 and 1000 μg/L5-μm PS-MPs for 7 days; (B)Relative abundance of the bacteria at the phylum level in larval zebrafish after exposure to100 and 1000 μg/L50-μm PS-MPs for 7 days. * indicates a significant difference from thecontrol group, and ** indicates a very significant difference (*p<0.05; **p< 0.01).2.4.3 PS-MPs 暴露对斑马鱼幼鱼菌群多样性的影响为了确定 1000 μg/L 的 5-和 50-μm PS-MPs 暴露 7 天后对斑马鱼幼鱼菌群的影响，进一步使用 16SrRNA 基因高通量测序来检测斑马鱼幼鱼菌群组成的变化。结果如图2-3A所示，暴露于不同尺寸的PS-MPs后，斑马鱼幼鱼菌群组成在“门”
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X172

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