《Journal of Hazardous Materials》：Antioxidant Supplementation under Microplastic Stress: Protective or Pro-Oxidant Effects in Amphibians
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微塑料暴露通過氧化應(yīng)激抑制蝌蚪發(fā)育，維生素C在特定濃度下可能加劇而非緩解氧化失衡，揭示抗氧化劑與微塑料的復(fù)雜互作機(jī)制。
樸俊圭|李智恩|金俊成|文承俊|裴在孝|趙成珍|杜允諾
韓國孔阜國立大學(xué)生物科學(xué)系，郵編32588
摘要
微塑料（MPs）是一種新興的污染物，會干擾水生生物的發(fā)育、生理機(jī)能和氧化還原平衡。然而，它們對兩棲動物的具體影響以及基于抗氧化劑的緩解措施的效果仍不明確。本研究探討了在長期暴露于環(huán)境相關(guān)微塑料水平下，膳食維生素C是否能夠緩解Glandirana rugosa所受的微塑料壓力。蝌蚪被分別暴露于微塑料、維生素C或兩者組合中，研究人員在多個發(fā)育階段測量了它們的生長速度、存活率、皮質(zhì)酮水平和抗氧化酶活性。結(jié)果表明，微塑料暴露會延緩變態(tài)過程，降低存活率，并改變氧化酶譜型，表明氧化還原狀態(tài)持續(xù)受到破壞。維生素C補(bǔ)充劑改善了早期生長，并部分緩解了微塑料壓力引起的發(fā)育遲緩，而兩者結(jié)合使用則持續(xù)提升了過氧化氫酶活性，但同時導(dǎo)致了持續(xù)的氧化失衡，這表明其作用更傾向于促進(jìn)氧化而非保護(hù)。然而，單獨使用維生素C并未改變生理指標(biāo)，說明其效果取決于微塑料的存在。總體而言，該研究表明抗氧化劑可能與微塑料相互作用，加劇氧化應(yīng)激，從而質(zhì)疑膳食抗氧化劑具有普遍保護(hù)作用的假設(shè)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在現(xiàn)實暴露情景下評估抗氧化劑與污染物相互作用的重要性，并對兩棲動物健康和環(huán)境風(fēng)險評估具有重要意義。
引言
近年來塑料使用的增加導(dǎo)致微塑料（MPs）在各種生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在，微塑料被定義為直徑小于5毫米的塑料顆粒[1]。尤其是在水生環(huán)境中的表層水中，微塑料會改變水體的物理和化學(xué)性質(zhì)，成為共污染物的載體，并影響水生生物的生態(tài)過程[2]、[3]。微塑料對環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因為它們的毒性會影響不同物種的生長、存活和繁殖，最終影響種群動態(tài)[2]、[3]。微塑料通過攝取、呼吸和皮膚吸收進(jìn)入生物體內(nèi)，通過化學(xué)途徑（如塑料添加劑的釋放[4]、[5]）和物理機(jī)制（與顆粒性質(zhì)相關(guān)[6]）發(fā)揮毒性作用。微塑料誘導(dǎo)的毒性主要機(jī)制是氧化應(yīng)激，表現(xiàn)為活性氧（ROS）生成與抗氧化防御之間的失衡[7]。最新研究表明，這種氧化應(yīng)激具有廣泛的下游影響，包括哺乳動物骨骼肌再生受損[8]和無脊椎動物腸道微生物群落的變化[9]。此外，環(huán)境因素（如微塑料的光老化[10]）會加劇氧化反應(yīng)，且這種影響可能沿食物鏈傳遞[11]。這些發(fā)現(xiàn)揭示了微塑料誘導(dǎo)毒性的復(fù)雜性和動態(tài)性，強(qiáng)調(diào)了繼續(xù)研究的必要性。
由于兩棲動物皮膚具有通透性，且生命周期同時涉及水生和陸地環(huán)境[12]，它們可能特別容易受到微塑料的影響。與其他動物一樣，微塑料會導(dǎo)致兩棲動物出現(xiàn)一系列不良后果，包括氧化應(yīng)激、生長抑制、死亡率增加、組織損傷和內(nèi)分泌紊亂[13]、[14]。最新研究還表明，幼體發(fā)育期間的氧化毒性可能導(dǎo)致變態(tài)后的異常，如后肢畸形[14]。然而，針對微塑料暴露的具體抗氧化防御機(jī)制仍不十分清楚。
了解毒性影響對于評估生態(tài)風(fēng)險和制定緩解策略至關(guān)重要。酶類抗氧化劑（如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）構(gòu)成了核心的內(nèi)源性防御系統(tǒng)，可清除ROS并維持氧化還原平衡[15]。但由于這些酶受到嚴(yán)格調(diào)控，無法通過外部補(bǔ)充輕易增強(qiáng)，因此實際應(yīng)用受到限制[16]。相比之下，非酶類抗氧化劑（如維生素C和E以及多種多酚）可以外源性提供并直接中和ROS[17]。在Lithobates sylvaticus中，維生素E和β-胡蘿卜素可改善免疫功能和生理狀態(tài)[18]；在Lithobates catesbeianus中，膳食維生素C可促進(jìn)生長和代謝效率[19]。這些發(fā)現(xiàn)表明，非酶類抗氧化劑可能為緩解環(huán)境誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激提供實際途徑。
盡管取得了進(jìn)展，但在微塑料壓力下補(bǔ)充抗氧化劑的效果仍不確定。在魚類和無脊椎動物等水生生物中的研究結(jié)果不一：一些研究顯示抗氧化劑補(bǔ)充后ROS、脂質(zhì)過氧化和炎癥有所減少，而另一些研究則指出效果因物種、抗氧化劑類型和劑量、暴露時間和微塑料特性而異[20]、[21]、[22]。重要的是，目前尚無研究探討抗氧化劑補(bǔ)充是否能夠緩解兩棲動物中的微塑料誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，這留下了一個明確的研究空白。此外，在高濃度、氧化負(fù)荷升高、存在氧化還原活性金屬離子或長時間暴露等特定生理條件下，非酶類抗氧化劑可能轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺趸瘎23]、[24]。微塑料本身也會根據(jù)聚合物類型、顆粒大小、表面化學(xué)性質(zhì)和濃度產(chǎn)生不同的生物效應(yīng)，使其綜合效應(yīng)難以預(yù)測。鑒于這些不確定性，在評估劑量依賴性或應(yīng)用緩解策略之前，建立抗氧化劑與微塑料相互作用的基線模式至關(guān)重要。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對氧化還原敏感的物種（如兩棲動物）尤為重要，有助于確定抗氧化劑補(bǔ)充在微塑料暴露下是具有保護(hù)作用、效果微弱還是有害。
本研究考察了單一微塑料類型和濃度與代表性非酶類抗氧化劑的聯(lián)合效應(yīng)。我們評估了共同暴露是否會影響發(fā)育、生長、內(nèi)分泌反應(yīng)和肌肉組織中的抗氧化酶活性以及畸形的發(fā)生率。通過確定維生素C補(bǔ)充劑是緩解還是加劇微塑料引起的應(yīng)激反應(yīng)，本研究為抗氧化劑與污染物的相互作用提供了新的見解，并為未來的野生動物保護(hù)和環(huán)境健康管理提供了參考。
動物采集與飼養(yǎng)
2024年6月初至中期，我們在韓國孔阜市采集了成年Glandirana rugosa，并從繁殖對中獲得了三個卵簇。卵被轉(zhuǎn)移到干凈的飼養(yǎng)箱中，并在受控實驗室條件下飼養(yǎng)直至孵化。蝌蚪被飼養(yǎng)到Gosner階段26（即能夠自由游動的階段），隨后用于實驗處理。所有程序均獲得了孔阜國立大學(xué)動物倫理委員會的批準(zhǔn)。
存活率和畸形情況
不同處理組的存活率存在顯著差異（對數(shù)秩檢驗，χ2 = 54.1，p < 0.001；圖3）。對數(shù)秩檢驗顯示，與Con組和Vita組相比，MPs組和MPs+Vita組的存活率顯著降低（Holm校正后的p < 0.05）。Con組和Vita組之間以及MPs組和MPs+Vita組之間的存活率沒有差異（Holm校正后的p > 0.05）。Cox比例風(fēng)險模型也表明，MPs+Vita組的死亡風(fēng)險最高（HR = 10.27，95% CI = 4.05–26.04）。
維生素C對微塑料誘導(dǎo)的發(fā)育和生長抑制的影響
在本研究中，僅暴露于微塑料的G. rugosa達(dá)到發(fā)育階段的時間明顯晚于對照組。類似的結(jié)果在兩棲動物和其他水生生物中已有報道。發(fā)育延遲被認(rèn)為是由于微塑料在腸道中的積累、營養(yǎng)吸收受阻以及腸道微生物群落紊亂所致，這些因素都會影響能量分配和代謝平衡[27]、[28]。
結(jié)論
本研究表明，在G. rugosa中，膳食維生素C補(bǔ)充劑與微塑料暴露之間的相互作用可能出乎意料。在本研究的具體條件下，維生素C并未提供一致的保護(hù)作用，反而導(dǎo)致持續(xù)的氧化失衡，表現(xiàn)為過氧化氫酶活性升高。這些發(fā)現(xiàn)表明，抗氧化劑與污染物的相互作用強(qiáng)烈依賴于具體環(huán)境條件和暴露情況。
環(huán)境意義
微塑料污染對淡水生態(tài)系統(tǒng)和兩棲動物的生存構(gòu)成日益嚴(yán)重的威脅。本研究通過實驗驗證了抗氧化劑補(bǔ)充是否能夠緩解微塑料引起的毒性，特別是氧化應(yīng)激和發(fā)育異常。與預(yù)期相反，我們的研究結(jié)果表明，此類干預(yù)措施可能會無意中加劇生理損傷而非提供保護(hù)。
利益沖突聲明
作者聲明沒有利益沖突。
數(shù)據(jù)聲明
數(shù)據(jù)將由通訊作者在論文接受后提供。
資助
本研究得到了韓國國家研究基金會（NRF）（由韓國政府（MSIT）資助，項目編號RS-2024-00349377）和韓國海洋與漁業(yè)部支持的韓國海洋科學(xué)技術(shù)促進(jìn)院（KIMST）（項目編號RS-2025-02303933）的資助。
作者貢獻(xiàn)聲明
文承俊：數(shù)據(jù)可視化、研究。金俊成：研究、數(shù)據(jù)管理。李智恩：數(shù)據(jù)可視化、研究、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理。樸俊圭：初稿撰寫、數(shù)據(jù)可視化、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)建。杜允諾：撰寫、審稿與編輯、驗證、監(jiān)督、資源協(xié)調(diào)、項目管理、方法學(xué)研究、資金獲取。趙成珍：監(jiān)督、資源協(xié)調(diào)、項目管理、方法學(xué)研究。裴在孝：
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的可能影響本文工作的財務(wù)利益或個人關(guān)系。
