温度升高结合二氧化碳（pCO2）浓度的增加会调节一种商业红藻——Pyropia haitanensis 中对微塑料的抑制作用

《Marine Pollution Bulletin》：Warming coupled with elevated pCO 2 modulates microplastic inhibition in a commercial red alga Pyropia haitanensis

紫菜在海洋酸化、变暖及微塑料复合胁迫下的生理响应机制研究。通过梯度设置CO2浓度（418-1000 μatm）、温度（20-24°C）及微塑料浓度（0-100 mg/L），发现微塑料显著抑制紫菜生长率、光合色素含量及细胞储备，100 mg/L时抑制率达57%。温度升高促进色素和蛋白质积累但抑制碳水化合物，酸化与温度的交互作用加剧微塑料毒性。研究揭示了气候变化与微塑料污染协同作用对紫菜生理的复杂影响，强调需重视多应力ors的复合效应及其对沿海养殖的影响。

　　海洋酸化、升温以及微塑料污染是沿海海域中普遍存在的环境压力源，然而它们对经济价值重要的海藻 *Pyropia haitanensis* 的综合影响仍不明确。为了研究提高 *p*CO? 浓度、升温以及微塑料污染如何共同作用于 *P. haitanensis* 的生理特性，我们在一个受控的室内实验中，使用两种温度（20 和 24°C）和不同微塑料浓度（0.025、2.5、25、50、100 mg/L）培养了海藻的营养体。实验结果显示，微塑料对 *P. haitanensis* 产生了浓度依赖性的强烈压力，持续降低其相对生长速率（RGR）、最大光化学效率（Fv/Fm）、光合色素（叶绿素 *a*、类胡萝卜素和藻红蛋白）以及细胞储备（可溶性蛋白和碳水化合物），其中在 100 mg/L 浓度下抑制效果最为显著。然而，尽管 *p*CO? 浓度变化，增加的温度（24°C）提高了海藻的色素和可溶性蛋白含量，但降低了可溶性碳水化合物的含量。值得注意的是，在常温 *p*CO? 条件下，升高的温度加剧了微塑料引起的生长抑制，导致在 100 mg/L 微塑料浓度下出现最高的抑制率 57%。相比之下，高 *p*CO? 浓度缓解了温度加剧的微塑料毒性，使得在最高微塑料浓度下的抑制率降至 32%。这些发现表明，尽管提高 *p*CO? 浓度和升温可以通过生理调整来缓解微塑料压力，但在微塑料浓度较高的沿海养殖区，光化学效率和光合色素的持续下降可能会限制 *P. haitanensis* 的产量和营养价值。

塑料已经成为现代社会中广泛存在的材料，因其易于制造、成本低廉以及多功能性而被广泛使用（Geyer 等，2017）。在众多塑料中，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）是最常见的聚合物，它们被广泛应用于消费产品和工业领域（Zhang 等，2022）。2022 年全球塑料产量超过了 4.003 亿吨，其中一次性塑料约占总产量的三分之二（Pilapitiya 和 Ratnayake，2024）。这些材料的快速积累和处理导致了前所未有的环境污染。值得注意的是，每年通过河流运输到海洋中的塑料废弃物估计在 115 万至 241 万吨之间，这突显了塑料污染在水生系统中的广泛影响（Lebreton 等，2017）。暴露在海洋环境中的塑料可以通过物理破碎、光降解或热氧化分解为微塑料颗粒，其直径小于 5 毫米（Hidalgo-Ruz 等，2012）。微塑料在大型藻类中表现出形态积累，之前的研究确定了五种模式：包裹、附着、嵌入、缠绕和捕获（Li 等，2022）。作为一种新兴的环境污染物，微塑料因其可能引发复杂的生态影响而受到广泛关注。

已有研究表明，聚酰胺（PA）纤维对 *Caulerpa lentillifera* 和 *Gracilaria tenuistipitata* 的生长速率和光合活性影响较小，即使这些海藻的丙二醛（MDA）含量有所增加（Li 等，2023）。相比之下，高浓度（100 mg/L）的聚苯乙烯（PS）颗粒显著抑制了这两种海藻的生长和光合产氧能力，同时增加了氧化损伤，这表现为 MDA 含量的升高和 EPS 的降低（Li 等，2023）。同样，高浓度（100 mg/L）的 PE 通过遮挡光线和抑制营养物质、CO? 和 O? 的交换，显著降低了 *Ulva prolifera* 的光合活性和生长（Feng 等，2020）。尽管暴露条件相同，不同藻类属对微塑料的敏感性存在显著差异。更高浓度的微塑料（MPs）通过增加反应性氧物种（ROS）含量显著降低了 *Chondrus* sp. 的生长和净光合作用，而 *Grateloupia turuturu* 在相同条件下未受到明显影响，这可能与不同的表面特性有关（Jung 等，2023）。新兴证据还表明，微塑料的影响可以被其他环境因素调节。在升高的温度条件下，微塑料暴露可以增强 *Phaeodactylum tricornutum* 与碳和氮代谢相关的基因表达，从而促进氮利用效率（Sun 等，2023）。因此，理解微塑料的生态影响需要考虑其与其他环境压力源的相互作用。

在人为气候变化中，海洋酸化和升温已成为由大气 CO? 浓度增加驱动的关键全球挑战。自工业革命以来，人类活动，特别是化石燃料的燃烧和土地利用变化，导致 CO? 排放量显著增加（Feely 等，2009）。海洋作为地球最大的碳汇，吸收了大约三分之一的人为二氧化碳排放，从而在调节全球气候中发挥着至关重要的作用（Sabine 等，2004）。这种 CO? 的吸收导致海水 pH 值下降，这一过程被称为海洋酸化（OA）（Caldeira 和 Wickett，2003）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的预测，到 2100 年大气 CO? 浓度可能达到 1000 ppm，导致全球海洋平均 pH 值下降约 0.4 个单位（Gruber 等，2012）。这一进一步的 pH 下降以及碳酸钙的可用性减少，影响了诸如光合作用、固氮和钙化等关键过程（Doney 等，2009）。此外，大气 CO? 的增加也是全球变暖的主要驱动力。在过去半个世纪中，海洋表层温度每十年上升约 0.1°C，预计到本世纪末将进一步上升 1.8–4°C（Gattuso 等，2015；Wu 等，2018）。海洋酸化和升温共同挑战了基础海洋生物的生理适应能力，特别是初级生产者如浮游植物和大型藻类，从而影响初级生产与碳循环（Hutchins 和 Fu，2017）。

有证据表明，海洋升温可以提高 *Neopyropia yezoensis* 的相对生长速率、叶绿素 *a* 和类胡萝卜素含量，同时抑制可溶性碳水化合物的积累（Wu 等，2024）。同样，海洋酸化可以促进 *U. compressa* 的生长，但可能同时削弱其抗氧化防御能力并降低营养价值（Vinuganesh 等，2022）。除了单一因素的响应，海洋升温与酸化之间也可以产生耦合效应，影响藻类。在 20°C 条件下，*U. fasciata* 显示出显著增加的生长和光合作用，但酸化在该温度下加剧了光抑制并降低了生长。此外，*Sargassum horneri* 在低温（15°C）下的生长和溶解有机碳（DOC）释放高于高温（20°C）下的情况，而酸化在低温下进一步促进了其早期生长（Wang 等，2024）。在 *Cystoseira tamariscifolia* 中，酸化单独增强了光合作用速率、抗氧化能力和酚类物质含量，但升温抵消了这些益处，只有升温与酸化的联合处理才能在营养充足的营养体中增加生物量（Celis-Plá 等，2017）。即使海洋环境中微小的变化也可能通过食物链传播，影响生态系统功能和稳定性。因此，研究多压力源的情境对于现实评估人类活动对水生生物的影响是必要的。

*Pyropia haitanensis* 是一种经济价值重要的大型藻类，广泛养殖于中国沿海地区，包括福建、浙江和江苏等主要养殖区，对当地经济和粮食安全起着基础作用（Jiang 等，2018）。其高商业价值和日益增长的需求使研究其生理韧性及其在环境变化下的潜在脆弱性成为关注的焦点。尽管 *P. haitanensis* 在沿海养殖中非常普遍，但目前大多数关于微塑料影响的研究集中在微藻上，而较少涉及大型藻类（Su 等，2023；Wang 等，2023）。此外，更多关注被给予微塑料的单一影响，而对与同时存在的环境压力源的综合影响则研究甚少。

因此，本研究采用 *P. haitanensis* 作为代表性的大型藻类，通过受控实验室条件下的综合暴露实验，研究其在微塑料、海洋酸化和升温共同作用下的生理响应。通过评估生长、光合作用效率以及关键生化成分（色素、碳水化合物和蛋白质），本研究旨在揭示 *P. haitanensis* 对这些压力源的响应机制。这些发现将有助于深入理解大型藻类在变化海洋中的生态生理学，并为沿海生态系统健康提供应对环境压力的保护策略。

实验材料选取于 2024 年 11 月 5 日从江苏省高公岛养殖区采集的 *Pyropia haitanensis* 样本，随后在 2 小时内用 4°C 冷藏箱运送到实验室。在实验室中，健康营养体被多次清洗，使用高压灭菌海水去除沉积物。营养体在 500 mL 气球烧瓶中预先培养，这些烧瓶装有富营养海水（盐度 30）和 von Stosch 增强培养基（VSE）。海水培养基被用于提供必要的营养成分，以支持营养体的正常生长和代谢。

相对生长速率（RGR）是评估植物或藻类生长状态的重要指标。在本研究中，RGR 显著受到 CO? 浓度、微塑料浓度、CO? 浓度与温度的交互作用以及三者之间的综合影响（表 S2，*p* < 0.001，*p* < 0.001，*p* < 0.001，*p* = 0.009）。随着微塑料浓度的增加，*P. haitanensis* 的生长呈现出整体下降的趋势，最低值出现在 100 mg/L 浓度下，无论温度和 CO? 浓度如何变化。这表明微塑料对 *P. haitanensis* 的生长具有显著的负面影响，且其影响随着浓度的增加而加剧。此外，温度的变化也对 RGR 产生了影响，但这种影响在不同 CO? 浓度条件下表现出差异性。在常温 CO? 条件下，升高的温度显著增强了微塑料对生长的抑制作用，而高 CO? 浓度则在一定程度上缓解了这一抑制效应。这表明温度和 CO? 浓度在调节微塑料对 *P. haitanensis* 的影响方面具有重要作用。

在实验中，我们观察到微塑料对 *P. haitanensis* 的光合作用效率（Fv/Fm）产生了显著的负面影响。随着微塑料浓度的增加，Fv/Fm 值逐渐降低，特别是在 100 mg/L 浓度下，光合作用效率受到最严重的抑制。这表明微塑料对 *P. haitanensis* 的光合系统具有潜在的破坏作用，可能影响其在自然环境中的生存能力。此外，微塑料浓度的增加也显著降低了光合色素的含量，包括叶绿素 *a*、类胡萝卜素和藻红蛋白。这些色素在光合作用中起着关键作用，它们的减少可能导致光能吸收效率的下降，从而影响藻类的生长和代谢。在不同温度条件下，这些影响表现出一定的差异性。在 24°C 条件下，微塑料对色素和可溶性蛋白含量的影响较小，而对可溶性碳水化合物含量的影响则较为显著。这表明温度在调节微塑料对 *P. haitanensis* 的影响方面具有一定的作用，可能通过改变代谢途径或生理状态来影响藻类的生理响应。

本研究还发现，高浓度的微塑料显著降低了 *P. haitanensis* 的细胞储备，包括可溶性蛋白和碳水化合物。这些细胞储备在藻类的生长和代谢过程中起着重要作用，它们的减少可能导致藻类在环境压力下的适应能力下降。此外，我们观察到在不同 CO? 浓度条件下，温度对细胞储备的影响存在差异。在常温 CO? 条件下，升高的温度显著降低了可溶性碳水化合物的含量，而在高 CO? 条件下，这种影响则有所缓解。这表明温度和 CO? 浓度在调节微塑料对细胞储备的影响方面具有一定的协同作用，可能通过改变代谢途径或生理状态来影响藻类的生理响应。

讨论部分进一步分析了这些结果的生态意义。研究发现，海洋酸化和升温对 *P. haitanensis* 的生长和光合作用具有显著的调节作用，而微塑料污染则对其生理特性产生强烈影响。在综合暴露条件下，微塑料对生长、光合作用效率以及细胞储备的影响尤为显著，这表明在沿海养殖区，微塑料污染可能与海洋酸化和升温共同作用，对初级生产者产生综合影响。此外，研究还发现，微塑料污染可能通过改变藻类的代谢途径或生理状态，影响其在自然环境中的生存能力。这表明在应对环境压力时，需要综合考虑多种因素对藻类的影响，以全面评估其生态适应能力。

在本研究中，我们采用实验方法来评估 *P. haitanensis* 在微塑料、海洋酸化和升温共同作用下的生理响应。通过设置不同的微塑料浓度、温度和 CO? 浓度，我们模拟了沿海养殖区可能面临的环境压力。实验结果显示，微塑料浓度的增加显著降低了 *P. haitanensis* 的生长和光合作用效率，而温度的升高则对某些生理参数产生了促进作用。这表明在不同的环境条件下，微塑料对 *P. haitanensis* 的影响存在显著差异，需要进一步研究其作用机制。此外，研究还发现，高 CO? 浓度在一定程度上缓解了微塑料对生长的抑制作用，这可能表明在应对环境压力时，需要综合考虑多种因素的相互作用，以全面评估其对藻类的影响。

本研究的结论强调了微塑料污染对 *Pyropia* 种类在沿海初级生产中的潜在影响，以及这些影响在与其他环境压力源共同作用下的复杂性。微塑料污染可能与海洋酸化和升温共同作用，对沿海生态系统中的关键物种产生综合影响。因此，研究这些多压力源的情境对于理解环境变化对海洋生态的影响具有重要意义。通过本研究，我们揭示了微塑料对 *P. haitanensis* 的生长和生理特性的影响机制，为未来研究海洋生态系统的综合压力提供了基础。此外，研究还表明，在应对环境压力时，需要综合考虑多种因素的相互作用，以全面评估其对海洋生物的影响。

本研究的作者贡献声明显示，Xiaolong Shi 负责撰写初稿、方法设计、实验调查和数据整理；Yiming Ma 负责方法设计和实验调查；Sufang Li 负责撰写和正式分析；Xiucheng Shang 负责方法设计和实验调查；Baolin Yuan 负责实验调查和正式分析；Juntian Xu 负责撰写和审阅；Peimin He 负责撰写和审阅；He Li 负责撰写、审阅和正式分析；Hailong Wu 负责撰写、审阅、监督和项目管理。所有作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的报告。

研究得到了多项基金的支持，包括江苏省海洋资源开发技术创新中心的海洋科技项目（LWKJ-13）、江苏省“333”项目、江苏省产业-大学-研究合作项目（BY20230967）、连云港市“521”项目（编号 LYG06521202169）以及江苏海洋大学的科研基金（KQ24043）。这些基金为研究提供了必要的资源和支持，使得实验能够在受控条件下顺利进行。此外，研究还得到了实验材料和设备的支持，确保了实验数据的准确性和可靠性。

本研究的成果为理解海洋生态系统中多压力源的相互作用提供了新的视角。通过实验方法，我们揭示了微塑料、海洋酸化和升温对 *P. haitanensis* 生理特性的影响机制，为未来研究海洋生态系统的综合压力提供了基础。此外，研究还表明，在应对环境压力时，需要综合考虑多种因素的相互作用，以全面评估其对海洋生物的影响。这些发现不仅有助于深入理解大型藻类在变化海洋中的生态生理学，也为沿海生态系统健康提供了应对环境压力的保护策略。