微米级和纳米级聚苯乙烯对溪流中碎屑处理及养分动态的影响

《Environmental Pollution》：Effects of microsized and nanosized polystyrene on detrital processing and nutrient dynamics in streams

微塑料污染对淡水生态系统的影响及其多级作用机制研究。通过检测聚苯乙烯（PS）纳米颗粒（50 nm）和微颗粒（1 μm）在1-10 μg/L浓度下对微生物分解者代谢活性及酶活性的影响，以及河蜗牛（Cipangopaludina cathayensis）的生长、摄食和营养吸收能力，发现纳米PS显著抑制微生物代谢并促进特定酶活性，导致叶脂积累和分解速率下降；微PS则通过降低叶氮含量影响河蜗牛的氮获取能力。研究揭示了不同尺寸PS通过调控分解者功能特性和摄食行为，对碎屑食物链营养循环产生差异化的毒性效应。

　　

Jingjing Du | Mengxi Gao | Zhi Rao | Xun Zhou | Yan Su | Jianguo Zhao | Jianxiang Lv | Ruohan Mao | Yuanran Song | Xia Cao

郑州轻工业大学材料与化学工程学院，中国郑州

摘要

微塑料和纳米塑料的污染

对淡水生态系统的健康和功能构成了严重威胁。然而，关于这些污染物如何破坏关键生态过程以及改变物种间相互作用的具体机制，目前仍知之甚少。本研究评估了聚苯乙烯颗粒（粒径分别为50纳米和1微米；浓度为1和10微克/升）对碎屑食物链的影响，这些影响依赖于颗粒的大小和浓度。具体来说，我们关注了微生物分解者的代谢活性和细胞外酶活性，以及河螺*Cipangopaludina cathayensis*的生长速率、摄食活动和营养吸收情况。暴露25天后，10微克/升的纳米级聚苯乙烯颗粒显著抑制了微生物的生长，并增强了N-乙酰葡萄糖胺酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶的活性，从而增加了叶片中的脂质积累，进而降低了*C. cathayensis*的分解速率。微米级聚苯乙烯颗粒则暂时降低了微生物的代谢活性，减少了叶片中的氮含量，导致河螺的氮吸收能力和摄食活动显著下降。这些结果表明，纳米级和微米级聚苯乙烯颗粒通过影响碎屑食物链中的特定功能特征，对碎屑处理和营养动态产生了不同的影响。总之，本研究强调了评估塑料污染对食物链多层次潜在影响的重要性，这对于理解包括群落结构和生态系统功能变化在内的更广泛生态后果至关重要。

引言

塑料的生产和利用导致了广泛的塑料污染，这对水生生物构成了严重的环境威胁（Gündogdu等人，2023；Junaid等人，2023）。有大量证据表明全球水生生态系统中存在微塑料和纳米塑料（MNP）（Wong等人，2020）。这些塑料在环境中的浓度范围为0.3至488微克/升（Shi等人，2024）。这引发了人们对MNP及其降解产物对淡水物种和生态系统功能可能产生的毒理效应的严重担忧（Wang等人，2023）。 聚苯乙烯（PS）是工业和商业应用中最常用的塑料聚合物之一，全球年产量约为2100万吨（Ho等人，2018）。这种大规模的生产使得PS成为塑料废物的主要来源，也是全球淡水生态系统中的常见污染物，其平均浓度约为3.5×10^11个颗粒/立方千米（Li等人，2020）。当PS废物进入环境后，由于生物、物理和化学作用，它会降解为微塑料甚至纳米塑料（Hu等人，2024；Kik等人，2020）。由于其长期存在于环境中以及其微小尺寸带来的影响，这带来了重大的生态风险（Bae等人，2025；Chen等人，2021）。最近的研究评估了纳米塑料和微塑料在多种水生模式生物中的毒理特性，包括*Limnomysis benedeni*（Yu等人，2024）、*Chlamydomonas reinhardtii*（Liang等人，2025）和*Cristaria plicata*（Chi等人，2025）。影响水生生物中PS毒性的两个关键因素是颗粒大小和环境浓度（Qiao等人，2022；Zhou等人，2021）。Imhof和Laforsch（2016）发现，河螺*Potamopyrgus antipodarum*的幼体生长受到浓度依赖性的抑制，这突显了暴露强度在决定生态结果中的作用。此外，Da等人（2024）观察到PS颗粒大小与河螺*Achatina fulica*的毒性之间存在负相关关系，表明较小的颗粒具有更大的生理风险。然而，我们对这些污染物如何影响淡水群落结构和关键生态过程的理解仍然有限（Seena等人，2022）。 叶片凋落物的分解是促进溪流生态系统中养分循环和能量流动的关键生态过程。这一过程主要由微生物分解者和无脊椎动物碎屑食者驱动（Boyero等人，2021）。微生物群落通过产生水解酶和氧化酶来启动分解过程，这些酶能够分解植物聚合物（Young等人，2008）。无脊椎动物碎屑食者通过增强碎屑的破碎和吸收，贡献了高达64%的总分解效率（Heiber和Gessbner，2002）。由微生物和碎屑食者驱动的系统为评估污染物对分解者群落中多营养级功能级联的影响提供了生态模型。在为期26天的微宇宙实验中，Seena等人（2022）研究了纳米塑料和微塑料对水生碎屑系统的影响，重点关注了微生物分解者和无脊椎动物*Echinogammarus meridionalis*。实验评估了两种颗粒大小（100纳米和1000纳米）在不同浓度梯度（0、0.25、2.5和25微克/升）下的影响。结果表明，纳米塑料（100纳米）显著抑制了真菌的孢子形成率和丰度，从而降低了叶片的分解速率和食物质量。然而，这些食物质量的变化并未显著影响*E. meridionalis*的摄食行为。该研究主要关注了影响微生物分解者群落和碎屑食者食物质量的相互作用，但未探讨食物链中碎屑食者的具体反应。因此，这两个群落之间的营养动态关系仍大部分未得到研究。 因此，了解受纳米塑料和微塑料污染的食物网中营养相互作用如何传播对于评估它们的更广泛生态影响至关重要。在这项研究中，我们旨在探讨不同浓度的PS（1和10微克/升）和不同粒径（50纳米和1.0微米）对生态过程的影响。我们重点关注了微生物的反应，特别是代谢活性和细胞外酶活性，以及碎屑食者的反应，包括生长速率、摄食活动和营养吸收。我们提出了以下假设：（i）微塑料和纳米塑料会抑制微生物分解者的生长和酶活性；（ii）微塑料和纳米塑料会对碎屑食者的摄食活动产生负面影响，且在纳米塑料暴露下影响更为显著；（iii）微塑料或纳米塑料对叶片凋落物分解的影响主要源于碎屑食物链中碎屑食者的功能变化。

实验部分

纳米塑料和微塑料

我们选择了原始粒径分别为50-100纳米的PS悬浮液来代表纳米塑料（浓度为2.5% w/v），以及1.0-1.9微米的PS悬浮液来代表微塑料（浓度为5% w/v），这两种样品均购自Aladdin公司（中国上海）。PS的分子量为104.14克/摩尔，密度为1.047克/立方厘米。使用JEM-2010场发射扫描电子显微镜（JEOL有限公司，日本）对颗粒的形态和大小分布进行了表征，确认微塑料的平均直径为1.5±0.1微米。

微宇宙中的PS特性

如图S2所示，在1和10微克/升的微宇宙中，纳米塑料颗粒的粒径范围分别为144.77-255.00纳米和122.42-190.14纳米。在1和10微克/升的微宇宙中，微塑料颗粒的粒径范围分别为0.95-1.48微米和0.96-1.72微米。此外，1微克/升的纳米塑料具有最低的Zeta电位，为-20.8毫伏。对于其他处理组，PS颗粒的Zeta电位范围在-0.95至-5.87毫伏之间（图S3）。

微生物特性

讨论

我们之前的研究表明，PS对叶片凋落物分解的毒性随其颗粒大小而变化（Du等人，2023）。此外，随着微塑料和纳米塑料浓度的增加，它们的抑制作用也更强（Batista等人，2022；López-Rojo等人，2020）。从更深入的角度来看，本研究全面探讨了PS浓度和颗粒大小在涉及微生物的碎屑食物链中的相互作用。

结论

本研究考察了微塑料和纳米塑料颗粒对溪流生态过程的不同影响。结果表明，纳米塑料对微生物分解者的毒性更强，进而影响了它们的代谢活性。这导致了叶片脂质的积累和河螺摄食量的减少。相比之下，微塑料对微生物生长的毒性较低，但降低了叶片中的氮含量。

作者贡献声明

Xia Cao： 监督。 Yuanran Song： 研究。 Jingjing Du： 撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究、资金获取。 Jianguo Zhao： 研究。 Ruohan Mao： 研究。 Jianxiang Lv： 研究。 Zhi Rao： 研究。 Mengxi Gao： 撰写初稿、研究、正式分析、数据管理。 Yan Su： 研究。 Xun Zhou： 研究。

未引用的参考文献

Cargill Ii等人，1985；Da等人，2024；Gra?a，2001；Olson，1963。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：32271701）、河南省优秀青年科学基金（项目编号：232300421103）以及河南省高等学校科技创新人才计划（项目编号：24HASTIT027）的资助。