《Environmental Pollution》：Leaching of Microplastics Enhanced Through Complex Soil Meso- and Macrofaunal Community Transport
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本研究通过实验室 mesocosm 实验发现，蚯蚓（尤其深居型）与跳蚤协同作用显著增加线性低密度聚乙烯微塑料的垂直迁移，促进其进入渗滤液，较对照组提升276%。揭示土壤动物群落的生物扰动效应对微塑料迁移的关键影响。
Elise Quigley | José P. Sousa | Maria J.I. Briones
维戈大学生态与动物生物学系，西班牙维戈，邮编36310
摘要
微塑料（MPs）是土壤中新兴的污染物，对土壤生物的生存和繁殖产生负面影响。然而，关于土壤动物作为微塑料向深层土壤传输媒介的作用知之甚少。在本研究中，我们通过一个中型生态系统培养实验，探讨了土壤中型动物（弹尾虫）和大型动物（蚯蚓）对线性低密度聚乙烯微塑料（LLDPE-MPs）在土壤剖面中分布的影响。六十个PVC柱（直径10厘米，高23厘米）中填充了农业土壤，并加入了250毫克的LLDPE-MPs（粒径300-600微米）以及不同生态类型的土壤生物：地表型、内生型和地下型蚯蚓，以及弹尾虫（包括地表型、半地下型和地下型物种的混合群体）。同时设置了未添加LLDPE-MPs的对照组。结果表明，14天后对照组中仍有LLDPE-MPs渗出（总共渗出66.75毫克），说明仅靠渗透水就能将LLDPE-MPs输送到土壤深处。然而，当存在地下型蚯蚓时，LLDPE-MPs的向下迁移量增加了约158%（渗出172.25毫克）；当三种蚯蚓类型共同存在时，迁移量进一步增加了约172%（渗出181.5毫克）。当弹尾虫与地下型蚯蚓或三种蚯蚓类型共同存在时，LLDPE-MPs的渗出量分别增加了约225%（渗出217毫克）和约276%（渗出250.75毫克）。这些发现表明，在这种有限的实验规模下，地下型蚯蚓的掘洞活动以及大型动物和中型动物之间的相互作用显著增强了微塑料向深层土壤的迁移及其从土壤中的渗出。我们建议未来的微塑料传输研究应包括更复杂、更具代表性的土壤生物群体，以准确反映它们对微塑料传输的集体影响，从而为微塑料传输的预测建模提供可靠依据。
引言
作为土壤中的新兴污染物，微塑料（MPs）因其存在、持久性和在根际的相互作用而产生多种影响（de Souza Machado等人，2018年）。与水生环境相比，陆地环境中微塑料的来源、归趋和汇的研究要少得多（Weithmann等人，2018年）。现有证据表明，尽管土壤中微塑料的来源越来越明显（Tian等人，2022年；Xu等人，2023年），但其在陆地环境中的归趋仍不清楚。土壤中的残余塑料量估计是水生生态系统的4到23倍（Horton等人，2017年），并且由于经常使用容易破碎并融入土壤的塑料薄膜，农业土壤中持续沉积着高浓度的塑料（Astner等人，2023年；Liu等人，2023年）。考虑到塑料的动态、传输和归趋，这些现象至关重要。了解它们的迁移路径和方式有助于阐明环境影响，并有助于缓解和修复工作。
在土壤中，微塑料可以通过风和水等非生物因素横向迁移（Horton等人，2017年；Huang等人，2021年；Rezaei等人，2019年），也可以通过孔隙通道和由干湿循环造成的土壤裂缝垂直迁移（Xu等人，2023年；Gao等人，2021年；O’Connor等人，2019年）。这些迁移过程会增加地下水中的微塑料含量（Rillig等人，2017年）。微塑料会破坏土壤结构，影响其肥力（Guo等人，2022年），并且其迁移还会改变深层土壤的物理化学性质（Hasan & Tarannum，2025年）。更隐蔽的是，微塑料可能像“特洛伊木马”一样，携带并融入各种有机污染物、金属、抗生素和微生物群落，从而产生连锁的环境影响（Zhang & Xu，2020年；Xu等人，2023年）。此外，微塑料的迁移还会将这些影响扩展到更广泛和更深的土壤区域，从而暴露其他土壤生物（Rillig等人，2017年）。鉴于微塑料对土壤环境的多种影响，研究其迁移机制至关重要，但生物因素对微塑料迁移的调控作用往往被忽视。
考虑到微塑料在土壤中的传输及其广泛的影响，我们重点研究了土壤中的中型动物和大型动物及其对微塑料迁移的调控作用。尽管有一些例外，但关于土壤生物传输微塑料能力的研究仍然不足。少数研究表明，某些蚯蚓物种能够垂直传输纳米塑料（NP）和微塑料，其主要机制是摄入/排出和附着在皮肤上（Huerta Lwanga等人，2016年；Huerta-Lwanga等人，2017年；Rillig等人，2017年；Heinze等人，2021年；Xiang等人，2023年）。此外，还观察到Lumbricus terrestris的掘洞活动会导致微塑料的渗出（Yu等人，2019年），这表明土壤生物可以通过创建优先流动路径来促进微塑料的迁移。除了蚯蚓外，之前的培养实验还表明Folsomia candida弹尾虫可以通过推动或附着颗粒在皮肤上来实现微塑料的横向迁移（Luo等人，2023年；Maa?等人，2017年；Zhu等人，2018年）。现有证据主要集中在少数物种上，尤其是那些在实验室中容易培养的物种（如Lumbricus terrestris、Eisenia fetida和Folsomia candida）。迄今为止，只有一项研究表明弹尾虫与蚯蚓共存时可以增强微塑料的垂直传输，但该研究并未提供具体的机制解释（Xiang等人，2023年）。
生活在土壤中的不同物种具有不同的生活史、生存策略和运动方式，因此它们的迁移和活动各不相同，共同生活时可能会相互补充或冲突。在本研究中，我们关注在全球活跃土壤中生物量最大的几种物种（蚯蚓和弹尾虫），以及这些生物单独或共同存在时对线性低密度聚乙烯微塑料（LLDPE-MPs）迁移的影响。我们选择了三种主要蚯蚓群体的代表：i) 地表栖息物种；ii) 地下栖息物种；iii) 深层掘洞物种（Bouché，1977年）。地下型蚯蚓会创建更深的、半永久性的连续洞穴作为庇护所，而地表型和内生型蚯蚓则创建较浅的、水平方向的洞穴，这些洞穴通常是暂时的，并会不断被排泄物填充（Felten & Emmerling，2009年；Francis等人，2001年；Lee & Foster，1991年）。类似的生存策略也适用于弹尾虫：i) 地表型弹尾虫生活在表层落叶层；ii) 半地下型弹尾虫可以在表层和表土之间移动；iii> 地下型弹尾虫是真正的土壤居民（Hopkin，1997年）。这些不同的掘洞能力和栖息地偏好可能导致微塑料在土壤剖面中的迁移范围更广，并可能影响水流（Hallam & Hodson，2022年），以及增加微塑料与其他深层土壤生物的接触（Rillig等人，2017年）。然而，对在同一土壤柱中混合不同类型蚯蚓的掘洞活动分析显示，某些蚯蚓类型的掘洞活动有所减弱（Capowiez等人，2001年；Felten & Emmerling，2009年）。尽管如此，像中型和大型动物这样的长期土壤居民在微塑料传输中起着关键作用。
通过结合不同生态类型的蚯蚓和弹尾虫，本研究将首次探讨复杂生物群落对微塑料传输的影响。这些物种在全球范围内的普遍存在使其对土壤中微塑料迁移的调控作用具有普遍性。我们使用了自然来源的蚯蚓群体和实验室培养的弹尾虫群体来模拟自然环境，包括野外采集的农业土壤，以模拟更真实的条件。我们假设经过18周的培养（期间有9次洪水事件），土壤生物的存在将增强LLDPE-MPs的垂直传输，相比仅有渗透水的情况。如先前研究所示，深层掘洞的地下型蚯蚓会显著影响LLDPE-MPs的传输，而地表型和内生型蚯蚓的加入可能会抑制某些蚯蚓的掘洞活动。此外，弹尾虫的加入也会改变LLDPE-MPs的传输。最终，我们预测更复杂的生物群落将导致LLDPE-MPs的迁移范围更广。
实验设置
实验使用了线性低密度聚乙烯微塑料（LLDPE-MPs）（Sigma Aldrich，Polyethylene 428078，CAS编号9002-88-4，25°C时的密度为0.918克/毫升），因为这是农业塑料薄膜的主要成分之一（Wan等人，2025年）。通过将其与含有改性亲脂性罗丹明B衍生物的均匀混合物融合并使用Cryomill（Verder-Scientific）研磨，获得了所需的颗粒形态。
LLDPE-MPs对土壤动物生存的影响
LLDPE-MPs的存在并未影响蚯蚓的总数量。各处理组之间的成年蚯蚓数量没有显著差异，但幼虫几乎全部由地表型蚯蚓产生（表S2）。
相比之下，不同处理组之间的弹尾虫数量存在显著差异（F（5, 13）= 16.86，p<0.0001）。因此，含有LLDPE-MPs的处理组（MP Coll）和不含LLDPE-MPs的弹尾虫处理组（Coll）的个体数量明显更多。
讨论
我们的培养实验表明，当没有生物或只有弹尾虫存在时，土壤表面的LLDPE-MPs数量较多；而含有蚯蚓的处理组则导致LLDPE-MPs向下迁移更多。蚯蚓的生物扰动效应在7天后就很明显。Heinze等人（2021年）也报告了L. terrestris地下型蚯蚓对纳米塑料（NP）的快速传输。在我们的研究中，所有蚯蚓类型的共同存在也导致了类似的迁移现象。
结论
我们的培养研究表明，仅靠渗透水就能逐渐将相对较大的LLDPE-MPs（≥300微米）输送到土壤深处并进入地下水（参见Rillig等人，2017年的研究）。在地下型蚯蚓存在的情况下，这种微塑料颗粒的传输显著增强；而当加入地表型和内生型蚯蚓时，传输效果更明显，尤其是在加入弹尾虫的情况下，微塑料更多地渗入渗滤液中。
CRediT作者贡献声明
Elise Quigley：撰写初稿、可视化处理、项目管理、数据分析、数据分析。 José P. Sousa：撰写、审稿与编辑、资源获取、方法论设计、概念框架构建。 Maria J.I. Briones：撰写、审稿与编辑、验证结果、监督工作、资源协调、项目管理、方法论设计、资金争取、概念框架构建
未引用参考文献
Jégou等人，2001年；Siddiky等人，2012年。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
数据可用性
数据可应要求提供。
资助
本项工作得到了欧盟玛丽·居里创新培训网络（H2020-MSCA-ITN-2020）项目（项目编号955334）的支持。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果：Elise Quigley报告获得了欧盟委员会的财务支持。Elise Quigley还报告与欧盟委员会的关系，包括资金资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们非常感谢Lancaster大学的John Quinton教授和Emilee Severee博士提供LLDPE-MPs，感谢Lancaster大学的Michael P. Coogan和Rachel H. Platel对LLDPE-MPs的研磨和染色工作，以及Nhu Phan对粒径分布的分析。同时感谢Vigo大学的David Fernández Calvi?o和Rocío González Feijoo提供实验土壤，以及Vigo大学的Daniel García Souto提供的其他帮助。
