聚苯乙烯微塑料对土壤生物的衰老影响及其与四溴双酚A毒性作用的协同效应

《Environmental Research》：Aging enhancement and synergistic effect on toxicity to soil fauna by polystyrene microplastics- tetrabromobisphenol A toxicity exposure

本研究探讨老化聚苯乙烯微塑料与四溴双酚A（TBBPA）复合暴露对蚯蚓的毒性及分子机制，通过组织病理学、氧化应激、肠道菌群和代谢组学分析。结果显示，28天暴露后，老化微塑料与TBBPA存在显著协同毒性，抑制蚯蚓生长。老化微塑料因表面粗糙加剧肠道物理损伤，并增强TBBPA吸附，导致氧化应激加剧、肠道菌群紊乱和代谢失调。该研究为评估土壤中微塑料与溴化阻燃剂复合污染风险提供了依据。

　　电子工业的快速发展导致了土壤中微塑料和溴化阻燃剂的共同污染，这种复合污染对土壤动物产生了显著的毒性影响。然而，目前关于这种复合污染的研究仍然有限，特别是针对老化微塑料的研究。因此，本研究通过组织病理学、氧化应激、肠道微生物学和代谢组学等方法，探讨了老化聚苯乙烯（PS）微塑料与四溴双酚A（TBBPA）复合暴露对蚯蚓的毒性及其分子机制。研究结果表明，经过28天的暴露后，PS微塑料和TBBPA对蚯蚓的生长抑制作用表现出显著的协同效应。值得注意的是，老化微塑料对蚯蚓的毒性影响更为严重，这可能与老化微塑料表面更加粗糙、物理损伤更明显有关。老化微塑料的这种物理特性不仅增加了其对蚯蚓肠道组织的损伤，还提升了其对TBBPA的吸附能力，从而导致TBBPA在蚯蚓体内的积累和吸收增加。因此，蚯蚓表现出更强烈的氧化应激反应、肠道微生物群落紊乱以及代谢失衡等现象。研究还发现，老化微塑料通过物理损伤和载体效应，显著增强了TBBPA的毒性作用。这些发现为评估土壤生态系统中微塑料和溴化阻燃剂共污染的风险提供了重要依据，尤其是在实际环境中，老化微塑料对土壤生态系统的潜在影响需要引起高度重视。

在现代工业社会中，塑料制品的广泛应用使得微塑料成为一种普遍存在的污染物。微塑料是指直径小于5毫米的塑料颗粒，它们广泛分布于水体、土壤、空气等环境介质中。由于塑料制品的大量使用和回收处理的不足，微塑料已经渗透到各种生态系统中，对生物体和环境造成深远的影响。土壤作为微塑料的重要储存库，其微塑料污染问题尤为突出。研究表明，微塑料进入土壤后，会对土壤动物的生长、繁殖、代谢等多个方面产生干扰。例如，微塑料可能引发氧化应激反应，导致细胞损伤；还可能影响肠道微生物群落的稳定性，从而干扰土壤动物的消化和营养吸收过程。此外，微塑料的长期存在可能对土壤的结构和功能产生负面影响，进一步影响土壤生态系统的健康。

然而，微塑料在自然环境中的暴露条件往往并非理想状态。由于紫外线照射、氧化作用和生物降解等因素，微塑料在环境中会发生老化现象。老化不仅改变了微塑料的物理形态，还可能影响其化学性质和对污染物的吸附能力。例如，老化过程中，微塑料表面可能会形成更多的含氧官能团，从而增加其对有机污染物的吸附能力。这一特性在实际环境中尤为重要，因为微塑料作为污染物的载体，可以将多种有害物质带入土壤生态系统中，进而对生物体产生更复杂的毒性效应。因此，评估微塑料对环境的影响时，不能忽视其老化过程对毒性行为的调控作用。

与此同时，溴化阻燃剂作为一种广泛使用的有机污染物，也对土壤生态系统构成了威胁。其中，TBBPA是应用最广泛的溴化阻燃剂之一，因其对内分泌系统的干扰作用而受到公众关注。TBBPA在土壤中的浓度可能高达450毫克/千克，特别是在某些工业发达地区。由于其化学性质稳定，TBBPA容易在土壤中长期残留，并可能通过食物链影响更高级的生物体。此外，TBBPA的广泛使用也使其不可避免地与微塑料共同存在于土壤环境中，形成复合污染。这种复合污染模式在实际环境中更为常见，但目前对其生态影响的研究仍显不足。

近年来，关于微塑料与有机污染物复合暴露对土壤动物影响的研究逐渐增多，但大多数研究集中于水生环境，对土壤生态系统的关注相对较少。此外，已有研究多集中于未老化微塑料的毒性效应，而对老化微塑料在复合污染中的作用机制了解有限。因此，有必要进一步探讨老化微塑料在复合污染中的具体影响，尤其是在其对污染物吸附能力和毒性传递机制方面的变化。这不仅有助于更全面地理解微塑料对环境的潜在危害，也为制定有效的污染防控措施提供了科学依据。

本研究选择聚苯乙烯（PS）微塑料作为研究对象，因为其在土壤系统中分布广泛，并且具有较高的生态毒性。PS微塑料因其化学稳定性和表面特性，常被用作吸附污染物的载体。此外，PS微塑料在自然环境中容易发生老化，因此其老化后的形态和化学性质可能对复合污染的毒性效应产生重要影响。通过将PS微塑料与TBBPA进行复合暴露，本研究旨在揭示老化微塑料与TBBPA共同作用对蚯蚓生长的毒性影响，并进一步探讨其作用机制。

蚯蚓作为土壤生态系统中的关键物种，不仅在土壤结构和养分循环中发挥重要作用，还常被用作毒性实验的标准生物模型。因此，评估蚯蚓对复合污染的反应，有助于更准确地预测微塑料和有机污染物对土壤生态系统的潜在影响。研究结果表明，老化微塑料与TBBPA的复合暴露对蚯蚓的生长抑制作用更为显著，这可能与老化微塑料的物理特性及其对TBBPA的吸附能力有关。具体而言，老化微塑料的粗糙表面可能导致蚯蚓肠道组织受到更严重的物理损伤，而这种损伤可能促进TBBPA的吸收和毒性效应的增强。

此外，研究还发现，老化微塑料的吸附能力显著提升，使其能够更有效地将TBBPA带入蚯蚓体内。这种吸附行为可能改变TBBPA在土壤中的分布和迁移模式，进而影响其在蚯蚓体内的积累和代谢过程。因此，老化微塑料不仅作为物理损伤的来源，还可能通过其吸附特性，增强TBBPA的毒性效应。这种复合污染的毒性机制可能涉及多个层面，包括氧化应激反应、肠道微生物群落的变化以及代谢功能的紊乱。

在实验设计方面，本研究采用了不同浓度的PS微塑料（0.1%、1%、10%）和TBBPA（0.5 mg kg^-1）进行复合暴露实验。实验结果显示，随着微塑料浓度的增加，其对蚯蚓生长的抑制作用也相应增强。尤其是在与TBBPA共同暴露的情况下，微塑料的协同效应更加明显。这表明，在实际环境中，微塑料和有机污染物的复合污染可能对土壤动物产生更为复杂的毒性影响，而不仅仅是单一污染物的作用。

在分子机制方面，本研究通过组织病理学分析、氧化应激检测、肠道微生物学研究和代谢组学分析，揭示了老化微塑料与TBBPA复合暴露对蚯蚓的多层面影响。组织病理学结果显示，老化微塑料对蚯蚓肠道组织的损伤更为严重，表现为组织结构的破坏、细胞凋亡和炎症反应的增加。这些物理损伤可能为TBBPA的进入提供了通道，从而增强其在蚯蚓体内的吸收和毒性效应。氧化应激检测进一步证实了这一假设，表明老化微塑料与TBBPA共同作用时，蚯蚓体内的氧化应激反应显著增强，导致细胞损伤和功能紊乱。

肠道微生物学研究显示，老化微塑料的暴露可能改变蚯蚓肠道微生物群落的组成和多样性。微生物群落的变化可能影响蚯蚓的消化功能和营养吸收能力，进而对其生长和健康产生负面影响。此外，TBBPA的毒性作用可能通过干扰肠道微生物群落的稳定性，进一步加剧蚯蚓的生理负担。代谢组学分析则揭示了老化微塑料与TBBPA共同作用对蚯蚓代谢功能的影响，表现为代谢产物的异常积累和代谢通路的紊乱。这些变化可能影响蚯蚓的能量代谢、物质合成和废物处理等关键生理过程，从而对其生存和繁殖能力产生不利影响。

综合来看，老化微塑料在复合污染中的作用机制可能涉及物理损伤、吸附能力增强以及对肠道微生物群落的扰动等多个方面。这些机制共同作用，使得老化微塑料在与TBBPA共同暴露时，对蚯蚓的毒性效应显著增强。因此，在评估微塑料对土壤生态系统的潜在危害时，应充分考虑其老化过程对毒性行为的影响。此外，本研究的结果也为土壤生态系统中微塑料和有机污染物的生态风险评估提供了新的视角和数据支持。

值得注意的是，本研究的发现具有重要的现实意义。在实际环境中，微塑料和有机污染物往往以复合形式存在，而老化过程可能进一步加剧这种复合污染的毒性效应。因此，未来的环境监测和风险评估工作应更加关注老化微塑料的污染特性，以及其在复合污染中的作用机制。此外，针对不同类型的微塑料和有机污染物，应开展更多系统性的研究，以全面了解其对土壤生态系统的潜在影响。

最后，本研究的成果不仅丰富了对微塑料和有机污染物复合污染的理解，也为相关领域的研究提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨不同老化条件对微塑料吸附能力的影响，以及不同污染物组合对土壤动物的毒性效应。此外，还可以结合生态毒理学和环境化学的理论，构建更完善的污染评估模型，以更好地预测和防控复合污染对土壤生态系统的潜在危害。