《Journal of Hazardous Materials Advances》：Cascading Effects of Microplastics on Marine Copepods and the Marine Biological Pump
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塑料废弃物及其降解产物微塑料和纳米塑料（MNPs）在全球范围内广泛存在，甚至出现在最极端和荒芜的地区。塑料因此被称为人类世的 geological 标志。自20世纪50年代以来塑料产量的指数增长标志着“大加速”的开始。塑料污染被认为可定义为独立的地球边界。塑料
塑料废弃物及其降解产物微塑料和纳米塑料（MNPs）在全球范围内广泛存在，甚至出现在最极端和荒芜的地区。塑料因此被称为人类世的 geological 标志。自20世纪50年代以来塑料产量的指数增长标志着“大加速”的开始。塑料污染被认为可定义为独立的地球边界。塑料危机曾被批评为分散了对气候危机的关注，然而这一观点忽视了塑料污染与气候过程之间的相互关联性。塑料工业以化石燃料作为原料和能源来源，且塑料通过干扰光合作用、刺激土壤温室气体释放以及通过空气传播的MNPs扰乱大气冷却等途径间接影响全球气候过程。此外，基于实验观察到的MNPs对微藻和浮游动物粪便的不良影响，研究人员提出了MNPs对海洋生物泵影响的假说，但尚未得到证实。在本研究中，研究人员通过实验和建模相结合的方法，研究了MNPs对海洋生物泵的累积影响。
由于藻类构成海洋食物网的基础，对藻类的不良影响预计将波及更高的营养级。初级生产力降低意味着浮游动物食物供应减少。同时，藻类聚集状态的改变意味着食物大小和可获得性的改变。已有研究证明桡足类会摄入MNPs，并产生多种影响，研究重点主要集中于行为改变和摄食模式变化等亚致死效应。然而，由于浮游动物是海洋食物网中的关键物种，亚致死效应可能对整个生态系统产生进一步的级联效应。
已有研究表明，低营养级所承受的压力可在高营养级传播。然而，目前尚无关于受MNP胁迫的藻类通过食物途径对高营养级产生间接影响的实验数据。海洋含有约38,000 Pg碳，每年从大气中额外移除2–2.5 Pg碳，在气候调节中发挥关键作用。生物碳泵通过海洋雪、碎屑、死亡浮游动物尸体和粪便颗粒的沉降，将颗粒有机碳（POC）从海面输送到深海。浮游动物在将聚集体输送出真光层的过程中发挥关键作用。
MNPs对微藻和桡足类的直接影响已有研究，但受MNP暴露的微藻对更高营养级的级联效应仍需深入理解。研究人员通过给桡足类Acartia tonsa饲喂经MNP暴露的Rhodomonas salina藻类，并评估其各自响应来进行实验研究。随后，研究人员使用营养盐-浮游植物-浮游动物-碎屑（NPZD）机制模型估算了真光层POC形式碳输出的累积效应，该模型以实验确定的参数进行参数化。研究同时考察了原始和风化塑料颗粒在假定环境相关浓度下的效应，并以高岭土颗粒作为天然颗粒对照。
论文解读
一、研究背景与科学问题
塑料废弃物及其降解产物微塑料和纳米塑料（MNPs）已广泛分布于全球各类环境介质中，从深海沉积物到高山冰川均有检出。塑料产量的指数增长被视为人类世地质标志之一，塑料污染甚至被提议作为独立的地球边界。然而，塑料危机与气候危机并非相互独立，塑料工业依赖化石燃料，同时塑料可通过干扰光合作用、刺激土壤温室气体释放以及空气传播MNPs扰乱大气冷却等途径间接影响全球气候过程。在海洋生态系统中，MNPs对微藻和浮游动物的不良影响已被实验证实，由此推测MNPs可能干扰海洋生物泵——即通过海洋雪、碎屑、浮游动物尸体和粪便颗粒的沉降将颗粒有机碳（POC）从海表输送到深海的生物地球化学过程。然而，MNPs对海洋生物泵的级联效应尚未被实验和模型联合证实。已有研究表明，低营养级承受的环境压力可向高营养级传播，例如热浪和氮污染对大型蚤的间接影响甚至超过胁迫因子的直接效应，但关于受MNP胁迫的藻类通过食物途径对桡足类等更高营养级产生间接影响的研究尚属空白。因此，本研究旨在通过实验与建模相结合的方法，系统评估MNPs对海洋生物泵的累积影响。
二、研究内容与核心发现
研究人员以海洋钙足类桡足类Acartia tonsa为浮游动物模型物种，以Rhodomonas salina为藻类模型物种，设计了系统的实验方案。实验采用三种颗粒类型——原始PET（vPET）、风化PET（wPET）和高岭土（天然颗粒对照），在100和10,000颗粒/毫升两个浓度水平下，首先将藻类暴露于颗粒7天，分析其生长速率、胞外聚合物（EPS）产量和聚集行为；随后将暴露后的藻类饲喂桡足类，分析桡足类的摄食系数、摄食速率、粪便颗粒产量和体型变化。实验参数进一步输入扩展的NPZD机制模型，量化藻类聚集、桡足类生长和粪便颗粒产量变化对海洋雪生产和碳输出的影响。研究发现，受MNP暴露的藻类改变了桡足类的摄食行为和生理状态。NPZD模型结果显示，MNPs对生物泵产生级联效应：塑料颗粒导致碳输出效率增加，而高岭土颗粒导致碳输出效率降低。藻类聚集和桡足类粪便颗粒产量是影响生物泵的关键过程。值得注意的是，颗粒特性至关重要：风化PET对桡足类表现出最强的间接效应，而原始PET和高岭土的效应相对较弱。
三、主要关键技术方法
本研究采用实验与建模相结合的研究策略。实验部分基于OECD生态毒理学测试指南和MNP生态毒理学研究建议设计，包括两个实验：实验一通过藻类浓度梯度系列测定桡足类最大摄食系数和摄食速率；实验二分为两个阶段，第一阶段将藻类暴露于不同颗粒类型和浓度，第二阶段将暴露后的藻类饲喂桡足类并分析多项终点指标。测量手段包括流式细胞术测定藻细胞密度、成像流式细胞仪（iFCM）表征藻类聚集、Bradford蛋白测定法和苯酚-硫酸法量化EPS、显微镜和ImageJ脚本分析桡足类体型、显微镜计数粪便颗粒。建模部分采用扩展的NPZD机制模型，包含营养盐、两种浮游植物状态变量（单细胞和聚集体）、浮游动物、四种碎屑变量和四种沉降变量，以氮生物量表示，模拟混合层内生物过程及碎屑沉降至200米海底的碳输出动态。
四、研究结果
藻类响应： 颗粒暴露影响藻类生长速率、EPS产量和聚集行为。不同颗粒类型和浓度对藻类产生不同程度的影响，其中风化PET暴露组表现出最强的藻类响应改变，包括生长速率变化和EPS产量增加，进而影响藻类聚集状态。
桡足类摄食行为： 饲喂经颗粒暴露藻类的桡足类，其摄食系数和摄食速率发生显著改变。风化PET暴露组的间接效应最为显著，表明颗粒类型是决定桡足类响应强度的关键因素。高浓度暴露组的效应总体强于低浓度组。
桡足类粪便颗粒产量与体型： 颗粒暴露通过改变藻类质量间接影响桡足类的粪便颗粒产量和体型变化。粪便颗粒产量的改变直接影响POC从真光层的输出效率，是连接MNPs与生物泵效应的关键环节。
NPZD模型模拟： 将实验参数输入NPZD模型后，模型模拟显示塑料颗粒暴露导致碳输出效率增加，而高岭土颗粒暴露导致碳输出效率降低。这一结果表明，MNPs对海洋生物泵的影响方向取决于颗粒类型，且藻类聚集和粪便颗粒产量的变化是驱动碳输出改变的核心机制。
五、讨论与结论
研究结果表明，MNPs对海洋桡足类的级联效应并非简单的线性关系，而是通过改变藻类生理状态和聚集行为，间接影响桡足类摄食和粪便颗粒输出，最终改变海洋生物泵的碳输出效率。颗粒特性是决定效应方向和强度的关键因素：风化PET表现出最强的间接效应，这可能与其表面化学特性改变有关；高岭土作为天然颗粒对照也产生了显著效应，提示颗粒的物理存在本身即可干扰生态系统过程。NPZD模型的模拟结果首次以定量方式展示了MNPs对海洋生物泵的级联影响，证实了先前基于实验观察提出的假说。这一发现对理解塑料污染与气候变化之间的相互关联具有重要意义：塑料污染不仅通过直接生态毒理效应影响海洋生物，还可能通过干扰海洋碳循环过程对全球气候系统产生潜在反馈。研究同时强调，未来研究需关注真实环境中的颗粒混合体系、更广泛的浓度范围和更长时间尺度的生态效应，以更全面地评估MNPs的生态风险。
