世界上最南端的昆虫——南极比利时蚁（Belgica antarctica）中微塑料摄入的普遍性及其后果

《Science of The Total Environment》：Prevalence and consequences of microplastic ingestion in the world's southernmost insect, Belgica antarctica

微塑料对南极陆生昆虫Belgica antarctica幼虫的生理影响及野外摄入情况研究。通过实验室暴露和野外采样发现，高浓度微塑料（2000 mg/kg）未显著降低幼虫生存率或代谢率，但导致脂质储存减少。野外调查中，13个岛屿采集的29只幼虫仅7%检出可能含微塑料的消化道样本，且经μ-Raman确认的阳性样本仅1例，表明当前南极陆生环境中微塑料摄入率较低，但存在进入食物链的风险。

　　塑料污染已渗透至地球上最偏远的陆地生态系统——南极洲。然而，目前对于微塑料如何影响南极洲本地陆地无脊椎动物的具体影响尚缺乏系统研究。本研究以南极洲唯一的本土昆虫——拟摇蚊科的**Belgica antarctica**（南极拟摇蚊）为研究对象，旨在探讨两个关键问题：1）在实验室环境下，聚乙烯微塑料暴露对幼虫的生理影响；2）评估野外采集的幼虫是否摄入了微塑料。通过实验，研究人员将幼虫暴露于不同浓度的可摄入聚乙烯微塑料珠（直径约为27至45微米）中，持续10天，并观察其摄食行为、存活率及代谢变化。结果显示，只有在最高浓度的实验条件下才观察到幼虫摄食微塑料珠的现象，而存活率和代谢率在所有浓度下均未发生显著变化。尽管碳水化合物和蛋白质储存未受微塑料暴露影响，但脂质储存似乎随着微塑料浓度的升高而略有下降。这表明，即使在相对较低的微塑料浓度下，也可能对某些生理过程产生潜在影响。

在第二项研究中，研究人员从13个岛屿采集了**Belgica antarctica**的幼虫，并采用两种方法进行微塑料检测：一是利用显微傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）和μ-拉曼光谱对消化样本进行成像分析；二是将消化后的肠道内容物涂抹在玻璃滤纸上，再通过μ-拉曼光谱进行扫描。尽管第二种方法未能提供明确结果，但通过第一种方法分析的29只幼虫中有2只（约7%）显示出潜在的微塑料存在，其中1个微塑料颗粒经μ-拉曼光谱确认为塑料。这表明，当前南极洲幼虫体内摄入微塑料的现象可能较为罕见，但我们的研究结果也进一步证明了微塑料能够进入南极洲的生态系统，并可能对当地的生物链造成影响。

全球范围内的塑料污染问题日益严重，2023年全球塑料产量已达到约4.14亿吨（Plastics-Europe, 2024），尽管回收工作不断推进，但仍有约48亿吨的塑料废弃物（约占总塑料废弃物的79%）堆积在自然环境中（Geyer et al., 2017）。塑料废弃物不仅广泛分布于陆地和水生生态系统，而且在自然环境中可以存在数十年（Chamas et al., 2020）。塑料的降解和改性过程可能受到环境因素（如紫外线、波浪冲刷和风蚀）或生物因素（如生物附着、咀嚼和消化）的影响（Li et al., 2016）。微塑料通常指尺寸在1纳米至5毫米之间的塑料颗粒和纤维（长度在3纳米至15毫米之间，且长度与直径的比例大于3），尽管某些定义中会将微塑料与纳米塑料区分开来（如小于1微米的颗粒定义为纳米塑料；Casagrande et al., 2024）。这些微塑料由于具有更大的表面积与体积比以及经过修饰的表面，可能吸附周围环境中的污染物（Yu et al., 2019），或释放生产过程中使用的添加剂（Rochman, 2015）。微塑料的生物可利用性与其微小的尺寸密切相关，同时其潜在毒性也引发了对自然环境中生态毒理学的研究兴趣。海洋生态系统是目前研究最为深入的领域，研究内容包括自由塑料的量化以及海洋生物对塑料的摄食行为（Markic et al., 2020）。然而，关于陆地生态系统中塑料污染及其对土壤生物群落的潜在影响，目前的研究仍较为有限（Wang et al., 2022）。

即使在偏远的南极洲，微塑料的存在也已被证实。此前的研究主要集中在海洋系统，发现微塑料存在于水表面、水体中以及沉积物中（Caruso et al., 2022）。南极洲海水中的微塑料密度通常在靠近陆地的区域较高（Cincinelli et al., 2017），但其浓度大约是其他海洋区域的1到2个数量级（Caruso et al., 2022）。微塑料可能被困在海冰中（Materi? et al., 2022）或沉积在海底，特别是在较浅的区域（Reed et al., 2018）。陆地生态系统中的微塑料积累可能通过多种途径实现。例如，南极洲的海洋生物可能摄入或被塑料缠绕，随后通过粪便、海鸟粪便或脱困过程将塑料带到陆地（Frag?o et al., 2021；Iba?ez et al., 2020；Waluda and Staniland, 2013）。人类活动，如捕鱼和旅游，也可能将微塑料引入海洋系统，而科学考察和旅游活动则可能直接将微塑料沉积在陆地或邻近的潮间带（Ivar do Sul et al., 2011；Gr?ndahl et al., 2009）。此外，空气中的微塑料可能通过远距离传输跨越数千公里抵达南极洲（Marina-Montes et al., 2022）。因此，沿海陆地生态系统最有可能受到微塑料污染，因为这些区域靠近海洋生态系统，人类活动较为频繁，且海洋生物的活动增加了微塑料进入陆地的可能性。

南极洲低海拔的沿海地区，由于温度相对温和，能够提供更多的营养和水分，是陆地生物多样性最丰富的区域（Convey and Stevens, 2007）。生物多样性在“海洋南极”地区达到峰值，这里的陆地生物群落主要包括线虫、缓步动物、轮虫、跳虫、螨类以及两种本土昆虫，其中一种就是**Belgica antarctica**（Chown and Convey, 2016）。南极洲的陆地生态系统通常具有较为简单的食物链，其初级生产力主要受到海洋动物带来的营养输入影响（Bokhorst et al., 2019）。尽管南极洲无脊椎动物已经高度适应了极端的非生物环境（Convey et al., 2008），但这些引人注目的物种可能面临人类污染物如微塑料的威胁。事实上，已有研究表明，微塑料暴露会对相关温带物种产生负面影响，包括降低存活率、繁殖能力和能量代谢（Mu?iz-González et al., 2021；Scherer et al., 2020；Silva et al., 2019, 2021；Ziajahromi et al., 2018）。对于南极洲无脊椎动物而言，较短的生长季节和极端的非生物条件可能加剧人类污染物的影响。然而，目前仅有一项研究记录了南极洲陆地生物体内微塑料的存在。例如，从南极洲的**Cryptopygus antarcticus**（南极跳虫）样本中，研究人员在藻类生长于聚苯乙烯泡沫上的地点发现了微塑料存在于其消化道中（Bergami et al., 2020），但并未探讨其摄入的后果。因此，对南极洲土壤生物中微塑料暴露的程度和后果仍需进一步研究。

**Belgica antarctica**是一种在南极半岛及其周边地区高度繁盛的陆地昆虫，也是南极洲研究最深入的陆地生物之一。这种多极端适应生物（polyextremophile）在应对南极洲极端的非生物条件方面表现出良好的适应性（Lee and Denlinger, 2015）。幼虫作为典型的腐食性生物，能够在自然基质中达到每平方米4万个的高密度（Potts et al., 2020）。由于其在简单的陆地食物链中是最大的消费者（幼虫长度可达8毫米；Michailova et al., 2021），**Belgica antarctica**很可能在营养循环中发挥重要作用。尽管尚未对**Belgica antarctica**的微塑料暴露影响进行评估，但微塑料可能对其他无脊椎动物造成直接毒性或次致死伤害。例如，微塑料暴露会降低线虫**Caenorhabditis elegans**的存活率（Shang et al., 2020），而在跳虫**Folsomia candida**中则会降低繁殖输出（Ju et al., 2019）。对于昆虫而言，食物中的聚苯乙烯微塑料会降低果蝇**Drosophila melanogaster**的存活率（El Kholy and Al Naggar, 2023）。在拟摇蚊中，聚乙烯微塑料暴露会降低**Chironomus tepperi**的存活率、体型和成虫羽化成功率（Ziajahromi et al., 2018），而在**C. riparius**中，虽然存活率未受影响，但次致死影响包括降低有氧呼吸和能量储存（Mu?iz-González et al., 2021；Silva et al., 2019, 2021）。

本研究的两个主要目标是：1）量化微塑料暴露对**Belgica antarctica**幼虫的生理影响；2）量化野外采集的幼虫中微塑料的含量。具体而言，研究人员将**Belgica antarctica**幼虫暴露于不同浓度的微塑料中，并在自然基质中持续10天，随后评估其存活率、微塑料珠摄入情况、代谢率和能量储存。研究假设随着微塑料浓度的升高，幼虫摄入的微塑料珠数量会增加，而存活率、代谢率和能量储存则会下降。对于第二项研究，研究人员从多个岛屿采集了**Belgica antarctica**的幼虫，这些岛屿在与人类活动的距离上存在差异。虽然我们未对这些地点的微塑料丰度进行量化，但大多数南极洲的微塑料可能来源于本地（Caruso et al., 2022），因此我们预测靠近人类活动的地点可能具有更高的微塑料摄入率。然而，考虑到微塑料可能通过远距离传输到达南极洲（Marina-Montes et al., 2022），我们认识到评估**Belgica antarctica**在整个分布范围内的微塑料存在情况具有重要意义。

为了研究微塑料暴露对**Belgica antarctica**幼虫的生理影响，研究人员从赫里特岛（64.799°S, 64.016°W）在2023年3月底的96小时内采集了幼虫（主要是第4次蜕皮阶段的个体）。幼虫通过改良的Berlese装置从其基质中提取，并在4°C环境下维持在一个混合基质的培养皿中，直到实验开始。实验过程中，研究人员将幼虫暴露于不同浓度的微塑料珠（直径约为27至45微米）中，观察其摄食行为、存活情况以及代谢和能量储存的变化。实验结果显示，在最高浓度的微塑料暴露条件下，幼虫才表现出摄食行为，而存活率和代谢率在所有浓度下均未发生变化。尽管碳水化合物和蛋白质储存未受微塑料暴露影响，但脂质储存似乎随着微塑料浓度的升高而略有下降。这一现象表明，即使在较低的微塑料浓度下，微塑料摄入可能对某些生理过程产生影响。

在野外采集的幼虫中，研究人员通过两种方法检测其是否含有微塑料。第一种方法是利用μ-FTIR和μ-拉曼光谱对消化样本进行成像分析；第二种方法是将消化后的肠道内容物涂抹在玻璃滤纸上，再通过μ-拉曼光谱进行扫描。尽管第二种方法未能提供明确的检测结果，但通过第一种方法分析的29只幼虫中有2只（约7%）显示出潜在的微塑料存在，其中1个微塑料颗粒经μ-拉曼光谱确认为塑料。这表明，目前南极洲幼虫体内摄入微塑料的现象可能较为罕见，但我们的研究结果也进一步证明了微塑料能够进入南极洲的生态系统，并可能对当地的生物链造成影响。因此，有必要对南极洲不同区域的微塑料污染情况进行更全面的评估。

总体来看，我们的研究结果表明，微塑料对**Belgica antarctica**幼虫的毒性有限。即使在实验中使用的最高剂量，这些剂量可能超过了自然环境中的生态浓度，也未观察到幼虫死亡或代谢率的变化。我们观察到在最高剂量下脂质含量略有下降，这表明微塑料摄入可能干扰了脂质代谢。然而，微塑料长期暴露的次致死影响，特别是对生物适应性和群落结构的影响，仍需进一步研究。尽管当前研究显示微塑料对**Belgica antarctica**幼虫的影响有限，但其在自然环境中可能仍然存在潜在风险。特别是在南极洲，由于其独特的生态环境和相对封闭的地理位置，微塑料的积累可能具有不同的模式和影响机制。因此，对南极洲陆地生态系统中微塑料污染的持续监测和研究，对于理解其生态影响具有重要意义。

此外，本研究还强调了对**Belgica antarctica**幼虫在不同环境下的微塑料暴露情况的进一步研究必要性。由于**Belgica antarctica**是南极洲陆地生态系统中的关键物种，其对微塑料的反应可能对整个生态系统的健康状况产生影响。例如，微塑料可能通过改变幼虫的能量储存或代谢途径，进而影响其生长、繁殖和生存能力。这种影响可能在长期暴露下更加显著，尤其是在生长季节较短、环境条件极端的南极洲生态系统中。因此，对**Belgica antarctica**的微塑料暴露情况的持续监测和研究，不仅有助于了解其自身的适应性，也为评估南极洲陆地生态系统的健康状况提供了重要依据。

本研究的结果也揭示了微塑料污染在南极洲的分布模式和生态影响。尽管南极洲的微塑料浓度普遍较低，但其污染范围已经覆盖了多个岛屿和沿海地区。这表明，微塑料污染不仅局限于人类活动密集的区域，而是可能通过多种途径影响到更广泛的生态系统。例如，微塑料可能通过海洋生物的活动进入陆地，或通过空气远距离传输到达南极洲。这些现象表明，微塑料污染的来源和传播途径具有多样性和复杂性，需要进一步研究以全面理解其对南极洲生态系统的影响。

从生态学角度来看，微塑料污染对南极洲陆地生态系统的影响可能具有特殊的生态意义。由于南极洲的陆地生态系统通常具有较为简单的食物链，微塑料的积累可能对整个生态系统的稳定性产生影响。例如，微塑料可能通过改变食物链中关键物种的能量代谢或生理状态，进而影响其在生态系统中的作用。这种影响可能在长期暴露下更加显著，尤其是在生长季节较短、环境条件极端的南极洲生态系统中。因此，对**Belgica antarctica**等关键物种的微塑料暴露情况的持续监测和研究，不仅有助于了解其自身的适应性，也为评估南极洲陆地生态系统的健康状况提供了重要依据。

本研究的发现还为未来的研究提供了新的方向。例如，研究可以进一步探讨微塑料对南极洲陆地生态系统中其他关键物种的影响，以及微塑料在不同环境条件下的积累和传播模式。此外，研究还可以关注微塑料对南极洲生物多样性的影响，特别是在微塑料浓度较高的区域。这些研究将有助于更全面地理解微塑料污染对南极洲生态系统的影响，并为制定有效的环境保护措施提供科学依据。通过这些研究，可以更好地评估微塑料污染对南极洲生物的潜在威胁，并探索如何减少其对生态系统的负面影响。

综上所述，本研究的结果表明，尽管微塑料对**Belgica antarctica**幼虫的毒性有限，但其在自然环境中的积累仍可能对南极洲的生态系统产生潜在影响。因此，有必要加强对南极洲陆地生态系统中微塑料污染的监测和研究，以全面评估其生态影响。同时，研究还应关注微塑料的来源和传播途径，以及其对不同生物群体的潜在影响。这些研究将有助于更深入地理解微塑料污染对南极洲生态系统的复杂影响，并为未来的环境保护工作提供科学支持。