《Environmental Pollution》：Mechanical Weathering of Polystyrene Microplastics Intensifies Biological Stress but Enhances Ecosystem Multifunctionality in a Freshwater-Sediment Microcosm
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摘要微塑料是淡水生态系统中最常见的污染物，但它们对淡水-沉积物生态系统的影响至今仍不甚明了。本研究在包含水生植物轮叶黑藻、底栖蜗牛静水螺以及沉积物的淡水-沉积物微宇宙系统中，探讨了原始状态和经过机械风化的聚苯乙烯微塑料如何影响生物、沉积物特性以及整个生态系统的多功能性。研究结果表
摘要
微塑料是淡水生态系统中最常见的污染物，但它们对淡水-沉积物生态系统的影响至今仍不甚明了。本研究在包含水生植物轮叶黑藻、底栖蜗牛静水螺以及沉积物的淡水-沉积物微宇宙系统中，探讨了原始状态和经过机械风化的聚苯乙烯微塑料如何影响生物、沉积物特性以及整个生态系统的多功能性。研究结果表明，机械风化使得原本光滑的球形聚苯乙烯微塑料变成了表面更为粗糙且形状不规则的颗粒。这类风化后的微塑料会给植物和蜗牛带来更强的生物压力，表现为更高的生物标志物反应得分。此外，风化后的微塑料还会降低叶绿素a和类胡萝卜素的含量，同时改变植物的营养成分，这说明植物的光合作用和碳代谢受到了影响。在蜗牛身上，风化后的微塑料会引发氧化应激，显著提高半胱天冬酶-3的活性，这表明其细胞凋亡反应加剧，同时对离子平衡的需求也更高。尽管生物个体受到了损害，但无论是原始状态还是风化后的聚苯乙烯微塑料都会提升沉积物的生态系统多功能性。这一提升主要得益于溶解有机碳含量的增加、β-葡萄糖苷酶活性的上升以及微生物呼吸作用的增强，这些都反映了碳循环的加速。这些研究结果揭示了生物健康与生态系统功能之间的生态权衡——通过加速的微生物代谢，短期内可以维持系统的功能稳定，但这可能会掩盖潜在的生物恶化现象。我们的研究结果表明，微塑料的风化虽然会加剧生物压力，但同时也会提升生态系统层面的功能缓冲能力，这意味着表面上的稳定实际上可能潜藏着长期的生态风险。将具有环境代表性的风化微塑料与多物种生态系统评估相结合，可以为评估微塑料污染的生态风险提供更为全面的框架。
引言
微塑料（尺寸小于5毫米的颗粒）已成为水体环境中最普遍且难以消除的污染物，存在于河流、湖泊以及沉积物中[1]。全球范围内，水体系统中已发现大量微塑料，而近年来的研究重点则逐渐从海洋转向淡水及沉积物环境[2]、[3]。尤其是沉积物，既是微塑料的堆积地，也是其二次来源，它使得微塑料、生物与地球化学过程之间能够长期相互作用[4]。全球范围内，淡水沉积物中的微塑料含量从每千克几十个到数万个不等，其中记录到的最高浓度为每千克335,714个，出现在加拿大的休伦湖沉积物中[5]。
淡水沉积物中的微塑料会对元素循环产生直接和间接的影响，进而导致淡水-沉积物生态系统中的生物出现一系列负面后果[6]、[7]、[8]。此外，微塑料还会改变沉积物的物理化学性质、微生物及底栖生物的活性、功能性酶的活性，以及与营养代谢相关的基因表达，这些变化都可能进一步影响元素循环[9]、[10]、[11]。同时，微塑料还会危害淡水-沉积物生态系统中的生物健康，影响它们的生长、繁殖、消化、新陈代谢、生存能力以及底栖生物的多样性[12]。
尽管人们对微塑料的危害越来越重视，但我们在理解微塑料如何影响相互关联的生态组成部分方面仍存在诸多不足——不仅仅是单个物种，还包括沉积物、水生植物、底栖无脊椎动物以及上层水体的整体动态。沉水植物和底栖无脊椎动物是连接沉积物生物地球化学过程与生态系统功能的关键生物组分[13]、[14]。轮叶黑藻是一种分布广泛的沉水植物，它对初级生产、沉积物稳定、向根际输送氧气、养分循环以及为水生生物提供栖息地都具有重要作用。静水螺则是栖息在沉积物与水界面的一种典型淡水腹足类动物，作为重要的食草动物和碎屑食者，它参与有机物的分解、养分的循环以及不同营养级之间的能量传递。这两种物种分别属于淡水沉积物生态系统中的不同营养级，彼此功能互补。将它们放入沉积物微宇宙系统中，就可以同时研究在微塑料暴露条件下，生物个体的生理反应、沉积物的生物地球化学过程以及整个生态系统的多功能性。
此外，微塑料在环境中的风化是一个持续的过程，包括机械磨损、光化学氧化、化学转化以及生物降解，这些作用共同改变了微塑料的颗粒形态、表面化学性质、功能基团、疏水性，以及聚合物衍生成分的释放情况，从而影响微塑料在环境中的行为及其生物效应[15]、[16]、[17]、[18]。虽然实验室条件下通过加速氧化使微塑料风化的现象已被广泛研究，但机械磨损的作用却相对较少被关注。在自然水体中，机械磨损主要由水流流动、水体湍流（包括波浪和潮汐作用）以及沙粒的摩擦造成，尤其是在沉积物丰富的区域[19]。与原始微塑料相比，风化后的微塑料可能会产生不同的生态效应，但目前很少有研究在结构复杂的微宇宙系统中比较这两种微塑料的效应。从生态系统功能的角度来看，与其仅仅关注死亡率或个体的生化指标，不如采用生态系统多功能性这一概念，它能够全面反映养分循环、有机物分解、碳封存等多重过程的协同作用[20]。将生物个体的应激反应（如氧化应激、细胞凋亡）与沉积物的功能以及生态系统多功能性联系起来，就能更全面地了解微塑料压力下生态系统的恢复能力或脆弱性。
在本研究中，我们构建了一个包含沉积物、水、沉水植物轮叶黑藻以及淡水蜗牛静水螺的淡水-沉积物微宇宙系统，以此比较原始状态和经过机械风化的聚苯乙烯微塑料对这些相互关联的生态组分的影晌。我们的研究目标如下：（1）探究机械风化如何改变植物和蜗虫以及沉积物中微生物/生物地球化学过程对聚苯乙烯微塑料的反应；（2）分析这些反应如何影响生态系统的多功能性。
章节要点
沉积物准备、实验生物及微塑料
沉水植物轮叶黑藻是从英国的Biotope Aquatics Ltd.购买的，而淡水蜗牛静水螺则来自英国的Blades Biological Ltd.。聚苯乙烯是淡水沉积物中最常见的微塑料类型之一[21]。原始状态的聚苯乙烯微塑料来自宁波创金进出口有限公司，而经过机械风化的聚苯乙烯微塑料则是通过使用不锈钢研磨机对原始微塑料进行研磨得到的。
原始状态与风化后聚苯乙烯微塑料的特性分析
扫描电镜图像显示，原始状态的微塑料表面较为光滑，而经过机械风化的微塑料则表面更加粗糙，形态也不规则（见图S1）。基于扫描电镜的颗粒大小分析表明，原始状态和风化后的聚苯乙烯微塑料的颗粒大小分布相近，这说明机械风化主要改变了微塑料的表面形态，而没有显著缩小其颗粒大小（见表S1）。傅里叶变换红外光谱分析结果显示，这些微塑料的特征
生态系统多功能性作为评估微塑料效应的综合指标
生态系统多功能性这一概念用于评估在环境压力和污染作用下的生态系统功能与服务，它整合了多种生物地球化学过程，比如养分循环、有机物分解以及生产力[26]。尽管这一指标在陆地微塑料研究中被越来越多地应用，但在受微塑料污染的淡水沉积物研究中的应用仍然有限[20]。
在我们的研究中，无论是原始状态还是经过机械风化的聚苯乙烯微塑料，都会显著提升生态系统的多功能性，尽管它们也会引发可测量的
结论
本研究证实，机械风化会放大聚苯乙烯微塑料在淡水-沉积物生态系统中的生态效应。机械风化增加了聚苯乙烯微塑料表面的粗糙度及其反应性。较高的生物标志物反应得分表明，风化后的微塑料比原始微塑料更能引发氧化应激和代谢紊乱。相比之下，聚苯乙烯微塑料的存在会提升β-葡萄糖苷酶的活性、微生物的呼吸作用以及溶解有机碳的含量，这些因素共同促进了
作者贡献说明
吴迪：撰写原文初稿、数据可视化、软件应用、方法设计、实验实施、正式数据分析、数据整理。尹颖：撰写文章的审阅与编辑工作、研究指导、概念构思。约瑟夫·霍尔登：撰写文章的审阅与编辑工作、研究指导。保罗·凯：撰写文章的审阅与编辑工作、研究指导。劳拉·卡特：撰写文章的审阅与编辑工作、研究指导。郭红燕：撰写文章的审阅与编辑工作、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22436002）、中国国家留学基金委的相关项目支持（项目编号：202206190007），同时还有一项由利兹大学与南京大学联合提供的博士奖学金，该奖学金授予了吴迪同学。
吴迪|劳拉·卡特|保罗·凯|约瑟夫·霍尔登|尹颖|郭红燕
中国南京大学环境学院污染控制与资源再生国家重点实验室，南京210023
