Among the various materials found inside microplastic pollution, nanosized microplastics are of particular concern due to difficulties in quantification and detection; moreover, they are predicted to be abundant in aquatic environments with stronger toxicity than microsized microplastics. Here, we demonstrated a stronger accumulation of nanosized microbeads in the marine rotifer Brachionus koreanus compared to microsized ones, which was associated with oxidative stress-induced damages on lipid membranes. In addition, multixenobiotic resistance conferred by P-glycoproteins and multidrug resistance proteins, as a first line of membrane defense, was inhibited by nanoplastic pre-exposure, leading to enhanced toxicity of 2,2',4,4'-tetrabromodiphenyl ether and triclosan in B. koreanus. Our study provides a molecular mechanistic insight into the toxicity of nanosized microplastics toward aquatic invertebrates and further implies the significance of synergetic effects of microplastics with other environmental persistent organic pollutants.

Marine ecosystem has been experiencing multiple stressors caused by anthropogenic activities, including ocean acidification (OA) and nickel (Ni) pollution. Here, we examined the individual/combined effects of OA (pCO2 1000 μatm) and Ni (6 μg/L) exposure on a marine copepod Tigriopus japonicus for six generations (F1-F6), followed by one-generation recovery (F7) in clean seawater. Ni accumulation and several important phenotypic traits were measured in each generation. To explore within-generation response and transgenerational plasticity, we analyzed the transcriptome profile for the copepods of F6 and F7. The results showed that Ni exposure compromised the development, reproduction and survival of copepods during F1-F6, but its toxicity effects were alleviated by OA. Thus, under OA and Ni combined exposure, due to their antagonistic interaction, the disruption of Ca2+ homeostasis, and the inhibition of calcium signaling pathway and oxytocin signaling pathway were not found. However, as a cost of acclimatization/adaption potential to long-term OA and Ni combined exposure, there was a loss of transcriptome plasticity during recovery, which limited the resilience of copepods to previously begin environments. Overall, our work fosters a comprehensive understanding of within- and transgenerational effects of climatic stressor and metal pollution on marine biota.

ABSTRACT Studies have demonstrated that marine phytoplankton can adapt to the warmer environment. However, the underlying mechanisms remain largely unknown. Here, we quantified the capacity of a globally distributed marine diatom Skeletonema dohrnii , for rapid evolution under the moderate (24°C) and severe (28°C) warming scenarios. Whole‐genome resequencing analysis revealed that the evolutionary adaptation of S. dohrnii to moderate warming was slow (i.e., 700 generations), whereas it was rapid (i.e., 300 generations) under severe warming but suffered a substantial loss of genetic diversity within the population. Genes associated with energy production and lipid metabolism evolved rapidly, particularly under severe warming, suggesting their vital roles in thermal adaptation. Proteomic results also showed the enhanced expression of proteins involved in energy production and lipid metabolism, especially under severe warming. Furthermore, particulate organic carbon and nitrogen production was greatly enhanced in the moderate warming‐selected population but increased insignificantly in the severe warming‐selected population, indicating more rapid adaptation driven by severe warming. Our results provide molecular insights into the rapid but limited evolution of thermal adaptation in marine diatoms and highlight energy production and lipid metabolism as the most important adaptive strategy. Future warming will affect genetic diversity and population dynamics of diatoms in the ocean.

Here, we subjected the marine copepod Tigriopus japonicus to environmentally-relevant concentrations of microplastics (MPs) and mercury (Hg) for three generations (F0-F2) to investigate their physiological and molecular responses. Hg accumulation and phenotypic traits were measured in each generation, with multi-omics analysis conducted in F2. The results showed that MPs insignificantly impacted the copepod's development and reproduction, however, which were significantly compromised by Hg exposure. Interestingly, MPs significantly increased Hg accumulation and consequently aggravated this metal toxicity in T. japonicus, demonstrating their carrier role. Multi-omics analysis indicated that Hg pollution produced numerous toxic events, e.g., induction of apoptosis, damage to cell/organ morphogenesis, and disordered energy metabolism, ultimately resulting in retarded development and decreased fecundity. Importantly, MPs enhanced Hg toxicity mainly via increased oxidative apoptosis, compromised cell/organ morphogenesis, and energy depletion. Additionally, phosphoproteomic analysis revealed extensive regulation of the above processes, and also impaired neuron activity under combined MPs and Hg exposure. These alterations adversely affected development and reproduction of T. japonicus. Overall, our findings should offer novel molecular insights into the response of T. japonicus to long-term exposure to MPs and Hg, with a particular emphasis on the carrier role of MPs on Hg toxicity.

Despite the great interest in the consequences of global change stressors on marine organisms, their interactive effects on cadmium (Cd) bioaccumulation/biotoxicity are very poorly explored, particularly in combination with the toxicokinetic model and molecular mechanism. According to the projections for 2100, this study investigated the impact of elevated pCO2 and increased temperature (isolated or joint) on Cd uptake dynamics and transcriptomic response in the marine copepod Tigriopus japonicus. Toxicokinetic results showed significantly higher Cd uptake in copepods under increased temperature and its combination with elevated pCO2 relative to the ambient condition, linking to enhanced Cd bioaccumulation. Transcriptome analysis revealed that, under increased temperature and its combination with elevated pCO2, up-regulated expression of Cd uptake-related genes but down-regulation of Cd exclusion-related genes might cause increased cellular Cd level, which not only activated detoxification and stress response but also induced oxidative stress and concomitant apoptosis, demonstrating aggravated Cd biotoxicity. However, these were less pronouncedly affected by elevated pCO2 exposure. Therefore, temperature seems to be a primary factor in increasing Cd accumulation and its toxicity in the future ocean. Our findings suggest that we should refocus the interactive effects between climate change stressors and Cd pollution, especially considering temperature as a dominant driver. Cadmium (Cd), a representative of metal contaminants, poses a great threat to the marine ecosystem. Cd pollution in the context of human-induced climate change (e.g., increased temperature and high pCO2) can have stronger negative impacts on marine biota. This study integrating toxicokinetics and omics approaches revealed that climate change stressors can aggravate Cd uptake and accumulation in marine organisms, rendering Cd pollution exhibiting higher risk, and also providing the potential mechanism related. In particular, increased temperature plays a dominant role. This study has given new insights into the complex interaction between climate change stressors and metal pollution in the marine ecosystem.