近日，南丹麦大学、新加坡南洋理工大学、南方科技大学、挪威水科学研究所等团队联合在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第18卷第11期上发表了题为“Multi-omics in nanoplastic research: a spotlight on aquatic life”的综述论文。
本文综述了纳米塑料对水生生物的毒性影响和分子机制，重点探讨了转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术在纳米塑料毒理学研究中的应用。通过分析近十年组学研究的结果，揭示了纳米塑料对水生生物的复杂影响和毒性机制。并提出了利用组学技术进行纳米塑料污染研究的潜力、挑战和未来发展方向。
塑料污染，尤其是纳米塑料，已成为全球环境学者关注的焦点。塑料的生产和使用量呈指数级增长，导致了大量塑料垃圾进入地球的水生态系统。这些塑料垃圾，包括微塑料和纳米塑料，在水中不断累积，并对水生生物和生态系统健康造成威胁。纳米塑料由于其独特的物理化学特性，例如高表面曲率、大表面积和尺寸小等，可能比微米塑料具有更强的毒性。它们更容易被生物体吸收和摄入，并可能穿透细胞膜，进入细胞内部，甚至进入细胞器。
为了全面了解纳米塑料的毒性机制和预测尚未知的生物效应，需要采用多种组学技术进行研究。组学技术，例如转录组学、蛋白质组学和代谢组学，可以提供关于生物体在纳米塑料暴露下的分子水平反应的全面和详细的信息。转录组学可以揭示纳米塑料如何影响基因表达，蛋白质组学可以揭示纳米塑料如何影响蛋白质表达和功能，代谢组学可以揭示纳米塑料如何影响代谢过程。
图1 不同水生物种纳米塑料毒性的综合多组学分析
图2 转录组学、蛋白质组学和代谢组学揭示水生生物对纳米塑料暴露的反应
多数组学研究发现，纳米塑料可以导致氧化应激，这是由于纳米塑料与细胞内的活性氧（ROS）相互作用，导致细胞内ROS水平升高。氧化应激可以损害细胞膜、蛋白质和DNA，从而导致细胞死亡和功能障碍。此外，纳米塑料还可以导致代谢紊乱。这些代谢紊乱会影响细胞的能量供应和功能，并可能导致疾病和死亡。最后，纳米塑料还可以抑制光合作用，这是由于纳米塑料与光合作用相关的蛋白质和色素相互作用，导致光合作用效率降低。然而，不同物种对纳米塑料的反应存在差异。例如，某些物种对纳米塑料更敏感，而其他物种可能具有更强的解毒能力。此外，不同物种对纳米塑料的毒性机制也不同。例如，某些物种主要受到氧化应激的影响，而其他物种可能主要受到代谢紊乱的影响。
克服当前多组学技术在水生生物纳米塑料毒性研究中的挑战，需要开发新的多组学方法和大数据分析工具。将来自不同组学平台的复杂数据结合起来，用新的生物信息学工具对多组学数据进行更高效和深层的分析和全面解释。此外，随着组数据的增长，还需要开发新的系统模型，例如将新一代组学技术（空间转录、蛋白质组学和代谢组学）与人工智能 (AI) 相结合，增强全生物体层面上新型毒性途径和特定分子标记物的探索，模拟纳米塑料和其他污染物与生物体的相互作用，以更准确预测纳米塑料的生态影响。
图3 纳米塑料研究中的组学技术和前景
综上所述，多组学技术在纳米塑料毒理学研究中具有巨大的潜力。通过结合多种组学技术，能更全面地了解和预测纳米塑料的毒性效应和机制，并开发更有效的减轻纳米塑料污染的策略。这需要跨学科合作，通过共同努力，才可以更好地保护水生生物和生态系统，应对纳米塑料污染带来的挑战。
审核 | Elvis Genbo Xu（徐亘博），南丹麦大学
编校 | 高岳
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本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第11期发表的综述文章 “Multi-omics in nanoplastic research: a spotlight on aquatic life”。通讯作者为南丹麦大学徐亘博副教授。
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