基于机器学习的元分析揭示了陆地生态系统中微塑料与重金属共同毒性的全球分布模式

《Environmental Pollution》：Machine learning-enhanced meta-analysis unravels the global patterns of microplastic-heavy metal co-toxicity in terrestrial ecosystems

微塑料与重金属复合污染通过物理干扰、氧化应激和代谢紊乱协同抑制植物生长（22.14%株高下降）、降低微生物多样性（Shannon指数下降2.65%）并加剧动物毒性（生存率下降7.00%，肠道损伤增加46.61%），其中纳米级微塑料的协同增强效应最显著。

　　微塑料（MPs）与重金属（HMs）的复合污染对全球粮食安全和生态环境构成了重大威胁。尽管已有大量研究关注MPs和HMs对陆地生物、氧化应激及生理损伤的影响，但关于这两种污染物协同作用的生态毒理效应及其作用机制仍存在诸多未知。本研究整合了来自全球113项毒性实验的1,820组对照观察数据，采用元分析与机器学习模型相结合的方法，系统评估了MPs和HMs对陆地生物的协同毒性效应。研究结果表明，MPs和HMs的共同暴露显著抑制了植物生长（如植物高度减少22.14%、生物量减少17.80%），并降低了微生物多样性（如香农指数减少2.65%）。同时，动物毒性也因这种复合污染而加剧（如存活率下降7.00%、肠道损伤增加46.61%）。XGBoost模型表现出卓越的预测性能（R2=0.71），表明其可用于MPs和HMs复合污染的风险预测。通过Shapley加法解释（SHAP）分析和偏最小二乘路径建模（PLS-PM），研究发现重金属浓度、暴露时间和微塑料粒径显著调节了复合毒性的程度，其中纳米级微塑料对复合污染毒性的放大效应最为显著。该研究阐明了MPs和HMs复合污染的生态风险，为全球土壤污染监测与修复提供了科学依据，并强调了标准化实验协议和推动国际协作在污染管理中的重要性。

土壤作为全球粮食生产安全的基石，正面临微塑料和重金属污染的双重挑战。据统计，全球塑料产量预计将在2024年达到4.14亿吨，而回收率仅为9%。预计到2050年，全球环境中的塑料废弃物总量将超过120亿吨。这些塑料废弃物通过物理、化学和生物过程逐渐降解为微塑料，进而与土壤中的重金属相互作用，形成复合污染。当前，大量研究表明，MPs和HMs的复合暴露比单一暴露具有更高的生态毒性。这是因为MPs常常作为污染物的载体被生物摄入，从而通过“ Trojan Horse 效应”放大污染物的负面影响。例如，全球多个地点的研究发现，土壤中MPs与镉（Cd）、铅（Pb）和锌（Zn）等重金属频繁共存。这种共存显著改变了重金属的生物可利用性，并激活了其潜在的生态毒性。此外，MPs和HMs的复合污染不仅通过工业、农业和家庭来源进入土壤系统，还通过地表径流迁移至沉积物，从而威胁陆地和水生食物链。

在中国多个地区的调查也表明，土壤中MPs和HMs广泛共存。这些土壤中MPs的积累量范围为100至10,000毫克/千克，而镉污染浓度可高达5毫克/千克。然而，关于这种复杂污染模式对陆地植物、动物和微生物的复合毒性效应，仍然存在关键的知识空白。尽管已有研究探讨了MPs和HMs对植物生理、动物健康和微生物群落的影响，但对这些影响的系统性评估仍显不足。目前，关于MPs和HMs复合毒性的研究方法主要包括文献分析、实验测量和建模分析。然而，文献分析难以准确评估协同效应的可靠性，由于原始数据的异质性（如暴露条件不一致、评估指标不统一）；实验测量通常采用短期暴露和单一指标，缺乏长期微宇宙实验设计带来的动态评估；建模研究则未能整合植物、动物和微生物的跨学科评估，导致生态风险模型不完整。因此，迫切需要进行标准化的全球分析，并构建预测框架，以实现对MPs和HMs复合污染的系统性评估和精准控制。

本研究基于全球历史研究进行了元分析，并构建了五个机器学习预测模型，以探讨MPs和HMs复合污染对陆地生物的生态毒理影响。目前，结合元分析与机器学习的方法已在环境毒理学研究中得到广泛应用。这种方法能够对异质数据集进行全面综合，以识别污染物毒性效应的系统趋势，如农药暴露和抗生素抗性基因传播等领域。本研究的主要目标包括：（1）系统量化MPs和HMs共同暴露对植物、动物和微生物生命指标的毒性效应；（2）识别影响复合毒性效应的关键环境因素，并构建针对MPs和HMs对陆地生物毒性的预测框架；（3）为制定MPs和HMs复合污染的协同治理策略提供数据支持。

为了深入研究MPs和HMs复合污染对陆地生物的影响，我们建立了包含全球历史研究的数据库。该数据库通过Web of Science、Scopus和Google Scholar三大平台，收集了从数据库创建之初至2025年6月20日的文献资料。我们使用了以下搜索关键词：((Microplastics or Nanoplastics) and (Heavy metals or Cd or Cu or Pb or Cr or Zn or Ni or As or Hg) and (Plants or Animal or Microorganism) and (Soil))。初步分析结果显示，微塑料和重金属的复合污染对陆地生物产生了广泛而深远的影响。通过对9种重金属、14种微塑料和47种暴露生物的数据进行提取和分析，我们发现镉相关的控制观察研究占总研究的60.77%（图1a），这主要是由于镉在环境中的广泛分布及其对生物体的高毒性。此外，研究还发现不同类型的微塑料对土壤微生物群落的影响存在显著差异，例如聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）比其他类型的微塑料更容易引起微生物群落的扰动。

本研究还探讨了MPs和HMs对陆地生物的毒性响应。在植物系统中，MPs作为重金属的载体，改变了土壤环境（如pH值、微生物群落）并影响植物组织中重金属的积累。这导致了光合作用的抑制、活性氧（ROS）的诱导以及种子萌发活力的下降。例如，实验研究表明，1,000毫克/千克的聚乙烯微塑料（PE-MPs）显著增加了玉米中镉的积累，使其增加25.5%，进而导致叶绿素含量和光合活性的降低。类似地，1,000毫克/千克的聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）和镉的共同暴露显著抑制了生菜的生长。在动物系统中，MPs通过生物膜吸附增强了重金属的协同毒性，导致蚯蚓和鱼类等生物的再生功能受损和氧化应激损伤。研究发现，0.2–2微米的PS-MPs和铅的吸附率与微塑料粒径呈显著负相关。此外，动物模型实验还表明，不同浓度的PS-MPs和铅的共同暴露可能显著加剧对肠道-大脑轴的毒性，从而影响神经行为功能。在微生物系统中，MPs和HMs的共同暴露对微生物活性和土壤肥力产生了强烈影响。例如，PE-MPs和镉的共同暴露通过改变土壤镉的吸附机制和土壤环境，显著降低了微生物活性。不同类型的塑料（如聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚乳酸）对土壤微生物群落的影响也存在差异，其中PS-MPs对微生物群落的扰动效应最强。

本研究通过构建预测模型，进一步揭示了MPs和HMs复合污染对陆地生物的影响机制。通过SHAP分析和PLS-PM方法，我们发现重金属浓度、暴露时间和微塑料粒径是影响复合毒性效应的关键环境因素。纳米级微塑料在放大复合污染毒性方面表现出最显著的效果。此外，研究还表明，MPs和HMs的复合污染对全球作物生产和食品安全构成了直接威胁，并通过食物链的积累过程放大了人类健康风险。因此，本研究不仅为全球土壤污染监测和修复提供了科学依据，还强调了在污染管理中制定标准化实验协议和加强国际协作的重要性。

综上所述，MPs和HMs的复合污染对陆地生物产生了深远的影响，不仅抑制了植物的生长和生理功能，还破坏了动物的器官系统，并降低了微生物的多样性。这些影响主要通过物理干扰、氧化应激和代谢紊乱等机制实现。本研究通过整合元分析和机器学习方法，构建了系统性的预测框架，为理解复合污染的生态毒理效应提供了新的视角。同时，研究结果也为制定科学合理的治理策略提供了数据支持，有助于在全球范围内加强对MPs和HMs复合污染的监测与管理。未来的研究应进一步探索不同环境条件下的复合污染效应，并推动跨学科合作，以全面评估其生态风险。此外，还应加强国际合作，建立统一的实验标准和数据共享机制，以提高对复合污染的理解和应对能力。