微塑料和重金属对陆地植物的联合毒性：一项整合机器学习预测的全球元分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Combined toxicity of microplastics and heavy metals to terrestrial plants: A global meta-analysis integrating machine learning predictions

微塑料与重金属复合污染显著抑制陆地植物生长和光合作用，并加剧氧化应激，纳米级微塑料毒性增强效应最显著。本研究整合全球1520项毒性实验数据，通过元分析与XGBoost等机器学习模型揭示复合毒性机制，发现重金属浓度、暴露时间和微塑料粒径是关键驱动因素，为全球土壤污染预警提供科学依据。

　　微塑料（MPs）和重金属（HMs）的复合污染已成为全球陆地生态系统面临的重要环境问题之一。随着塑料制品的广泛使用，每年约有4.14亿吨塑料被生产，其中仅9%被回收利用，大量未被回收的塑料在自然环境中经历光降解、热降解和生物降解等过程，逐渐分解为微塑料颗粒。这些微塑料颗粒通常小于5毫米，广泛存在于全球陆地生态系统中，尤其在农业土壤、污水灌溉区域和电子废弃物处理场等环境中。微塑料的积累不仅改变了土壤的物理和化学性质，还对土壤微生物群落结构产生了显著影响，进而影响了土壤生态系统的功能。

与此同时，重金属污染也日益严重，影响了全球约20%的农业土壤。这些重金属主要来源于工业排放、采矿活动和农业投入品，如化肥和农药。重金属污染不仅对土壤本身造成破坏，还通过食物链对植物和生态系统产生深远影响。它们能够破坏细胞膜，导致离子失衡，引发氧化应激，并干扰植物的营养吸收。尽管单独研究微塑料和重金属的毒性效应已取得一定进展，但它们在污染环境中的联合效应及其潜在的生态风险仍然缺乏系统性的理解。

本研究整合了来自全球60项毒性实验的1520组控制观测数据，利用元分析与机器学习模型（如XGBoost、随机森林和LightGBM）相结合的方法，系统评估了微塑料与重金属对陆地植物的协同毒性效应。研究结果表明，微塑料与重金属的共同暴露显著抑制了植物的形态功能，如根长减少了24.18%，生物量减少了15.9%。此外，还对植物的生理功能产生了抑制作用，例如光合速率下降了41.95%。同时，这种复合污染加剧了氧化应激水平，导致过氧化氢（H?O?）含量增加了52.61%。

XGBoost模型表现出优秀的预测性能（R2=0.82，RMSE=0.25），表明其可以用于微塑料和重金属复合污染的风险预测。通过SHapley Additive exPlans（SHAP）和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）的联合分析，研究揭示了复合污染的关键驱动因素。其中，重金属的浓度、暴露时间以及微塑料的粒径对复合毒性强度具有显著的调节作用，而纳米级微塑料对复合污染的毒性放大效应最为明显。

研究进一步指出，微塑料和重金属的协同作用可能表现为增强或相加的毒性效应，这取决于污染物的种类、浓度以及环境条件。例如，微塑料可能通过物理损伤促进重金属进入植物组织，或者通过化学吸附增强重金属的生物可利用性，从而显著抑制植物的生长、光合作用和抗氧化系统。这些发现为全球土壤污染的预警和控制提供了科学依据，并强调了提升实验过程标准化和推动国际污染治理的重要性。

在数据库构建方面，研究团队对Web of Science、PubMed和Google Scholar等数据库进行了全面检索，涵盖了从数据库建立到2025年3月10日的所有相关文献。研究的关键词包括“微塑料”、“重金属”、“陆地植物”以及具体的重金属种类如镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）和锌（Zn）。文献的检索过程严格按照图S1进行，确保了数据的全面性和代表性。

通过分析7种重金属、12种微塑料以及28种受污染的植物物种，研究揭示了微塑料与重金属复合污染对陆地植物的潜在生态风险。研究发现，镉相关的控制观察研究占比较高，达到63.28%。这主要是由于镉在环境中的迁移性和生物可利用性较高，容易通过微塑料的吸附作用进入植物体内，从而对植物生长和生理功能产生显著影响。

此外，研究还探讨了微塑料与重金属在土壤-植物系统中的相互作用机制。微塑料的高比表面积和疏水性使其能够有效吸附和运输各种共污染物质，特别是重金属。这种吸附作用不仅改变了重金属在土壤中的形态和生物可利用性，还可能通过物理和化学途径增强其对植物的毒性。例如，微塑料可能通过物理堵塞植物根系，限制其对水分和养分的吸收，或者通过化学吸附增加重金属在土壤中的浓度，从而加剧其对植物的毒害作用。

研究进一步指出，微塑料的存在可能影响土壤微生物群落的结构和功能，进而影响重金属的转化过程。例如，微塑料可能改变土壤中的氧化还原条件，影响重金属的溶解度和迁移性。这种微生物群落的变化可能会加剧重金属的毒性，导致更严重的生态风险。因此，微塑料与重金属的复合污染不仅影响植物本身，还可能通过改变土壤生态系统间接影响整个生物圈。

本研究的结论强调了微塑料与重金属复合污染对陆地植物的多重影响，包括形态功能的抑制、生理功能的下降以及氧化应激的增强。研究团队通过元分析和机器学习模型的结合，不仅揭示了复合污染的生态风险，还为未来的研究和政策制定提供了新的思路和方法。这种数据驱动的评估方法能够更准确地预测污染对植物的影响，为全球土壤污染的预警和控制提供了科学支持。

研究还指出，当前的监管框架在应对微塑料与重金属复合污染方面存在显著的不足。尽管联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）等机构已经建立了重金属污染的食品安全指导值，如精米中镉的浓度不应超过0.2毫克/千克，但针对微塑料的阈值控制体系仍不完善。更重要的是，现有的污染标准未能充分考虑复合暴露的情况，可能导致对复合污染风险的低估。

综上所述，本研究通过整合全球范围内的实验数据，利用先进的分析方法，揭示了微塑料与重金属复合污染对陆地植物的显著毒性效应及其关键驱动因素。这些发现不仅加深了我们对复合污染机制的理解，也为未来的污染治理和生态修复提供了重要的科学依据。随着全球环境问题的日益严峻，深入研究微塑料与重金属的复合污染效应，将有助于制定更加科学和有效的环境保护政策，从而减轻其对陆地生态系统和人类健康的潜在威胁。