微塑料污染在全球范围内破坏微藻生理：一项荟萃分析

《Environmental Pollution》：Microplastic pollution disrupts microalgal physiology globally: a meta-analysis

　　

摘要

微塑料（MP）污染威胁着水生初级生产者，然而其影响微藻生理特征的全局模式仍不清楚。本研究利用67项淡水研究的3,863个观测值进行Meta分析，量化了生物学效应（由效应量反转换算的百分比）。微塑料显著抑制了生长（-30%）、丰度（-18.1%）和光合作用（-13%），同时诱导氧化应激（50%）并促进代谢物合成（21%）。值得注意的是，生长和丰度的抑制作用对质量浓度的依赖性有限，这可能是由于质量指标掩盖了较小塑料颗粒数量更多、表面积更大的特性。相比之下，氧化应激、光合作用抑制和代谢积累呈剂量依赖性增加。纳米塑料（≤1 μm）对生长和光合作用的抑制作用超过较大微塑料（>1 μm）的两倍。聚合物类型调节了影响：PE、PVC和PS对丰度的降低作用相似，而PET的影响最弱。生长抑制具有门特异性（敏感类群：绿藻门、蓝藻门；未受影响：硅藻门），而光合作用和氧化应激反应具有普遍性。白色微塑料持续抑制生长和光合作用并诱导氧化应激。时间序列分析揭示了分化的轨迹：生长抑制随时间加剧，丰度抑制逐渐减弱，代谢物积累增加，这可能反映了生理权衡。这些定量关联为完善淡水环境风险评估提供了基线。

引言

随着经济的发展，全球塑料使用量持续增长，每年超过一千万吨塑料被丢弃到淡水和海洋生态系统中（Borrelle et al., 2020）。这些塑料可被分解为更小的碎片，分为微塑料（MPs，1 μm至5 mm）和纳米塑料（NPs，≤1 μm）（Dan et al., 2025）。由于其体积小且难以降解，微纳米塑料（MNPs）持续积累并广泛分布于水生生态系统中（Eriksen et al., 2014; Li et al., 2025; Wang et al., 2024）。这些污染物包括聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）等常见类型。此类暴露对水生生物构成重大危害，包括摄食和摩擦造成的物理损伤，以及添加剂浸出或共污染物吸附带来的化学毒性（Beiras et al., 2021; Capolupo et al., 2020）。这可能导致水生生物的生理紊乱（Jeong et al., 2024）、代谢干扰（Wan et al., 2019）、生长抑制（Guo et al., 2020; Hadiyanto et al., 2022; Sánchez-Fortún et al., 2021）以及过早死亡。值得注意的是，微塑料已渗透至偏远的海洋和淡水栖息地（W. Wang et al., 2020），污染水平甚至对当地水生生物构成重大威胁（Costa and Barletta, 2015），这需要对其生态风险进行系统评估。

作为水生生态系统的基础初级生产者（Ma et al., 2022; Meyer et al., 2017; Zhu et al., 2021），微藻贡献了全球约40%的碳固定量，并构成食物网的基础（Lee et al., 2023）。因此，微藻群落结构和功能的任何变化都可能对水生生态系统的健康、稳定性和生产力产生深远影响。越来越多的研究关注微塑料污染对藻类的影响，包括是否限制其生长繁殖或影响其生理功能。例如，先前的研究发现MPs和NPs会抑制藻类光合作用并促进活性氧（ROS）的产生，从而影响藻类生长和存活（Bhattacharya et al., 2010）。其生理功能的破坏表现为生长抑制、光合作用损伤和氧化应激，可能对生态系统服务与功能产生更严重的影响（Abbasi et al., 2023）。

然而，方法学的异质性（如样本量、暴露方案的差异）以及依赖于背景的MP效应——受颗粒大小、浓度、聚合物类型和藻种调节——导致不同研究结果产生分歧。例如，硅藻表现出敏感性，而蓝藻则表现出耐受性（Song et al., 2023; Zheng et al., 2022）。一些研究表明微塑料对藻类具有不利影响（Bhattacharya et al., 2010; Chen et al., 2012; Wu et al., 2019），而另一些研究则表明微塑料可能促进藻类生长（Canniff and Hoang, 2018）。此外，一些研究报告微塑料效应随浓度增加而增强（Natarajan et al., 2022; S. Wang et al., 2020; Zheng et al., 2021; Zhou et al., 2021），而另一些研究发现无影响或影响减弱（Fu et al., 2019; Jiao et al., 2022; Li et al., 2023）。这种异质性阻碍了统一风险评估框架的建立。

为克服传统单一实验室研究的局限性，Meta分析作为强大的工具，通过定量整合全球证据、总结效应模式，并通过亚组分析追溯矛盾结果。因此，本研究的主要目标是在全球尺度上系统量化微纳米塑料（MNPs）对淡水微藻的总体生理影响，并明确识别其毒性的关键环境和理化驱动因子。为实现这一目标，我们系统评估了2024年前所有关于MNPs与淡水微藻的相关文献（67项研究，3,863个独立观测值）。我们将相似指标分为六组——微藻生长、光合作用、氧化应激、丰度、初级代谢物和次级代谢物——以研究不同MNP特性（大小、浓度、类型、形状和颜色）及暴露时间如何决定微藻反应，以及不同藻类类群之间的敏感性差异。本研究的意义在于能够解决现有文献中的争议并揭示MNP毒性的潜在机制模式。最终，我们的研究结果旨在综合MP毒性的广泛关联模式，强调代谢权衡和时间动态，为未来环境风险评估提供信息并优先确定针对高风险MP类别的控制措施。

文献检索与筛选

按照PRISMA指南（系统综述与Meta分析优先报告条目）（O'Dea et al., 2021），制定并实施了系统的文献检索策略，详见图S1。我们从以下数据库中收集了2024年之前发表的研究文献：中国知网和Web of Science。使用关键词/短语组合进行检索，包括（microplastic* OR nanoplastic* OR MP OR "plastic particle*" OR polyethylene OR

结果

为研究微塑料暴露的响应，本Meta分析通过标题和摘要审查筛选了3,533项研究，随后对合格文章进行了全文评估。最终纳入了全球分布地点的67项研究，覆盖全球大多数地区（图1）。从这67项研究中提取了3,863个响应比率，其中生长297个，丰度809个，光合作用1,169个，氧化应激980个，初级代谢物213个。

讨论

我们的全球Meta分析提供了明确证据，表明微塑料污染扰乱了淡水微藻的基本生理过程。通过综合3,863个实验观测值，我们证明MPs对生长、丰度和光合作用具有显著的抑制作用，同时诱导氧化应激。关键在于，这些影响的程度并不均匀，而是受到MP浓度、颗粒大小、聚合物类型等的显著调节。

结论

本Meta分析综合了来自全球67项淡水研究的3,863个实验观测值，为理解微塑料如何扰乱微藻生理提供了定量框架。结果表明：第一，微塑料持续抑制生长、丰度和光合作用，同时诱导氧化应激和代谢重编程，证实了其多方面的毒性。第二，颗粒大小是主要的毒性驱动因子，NPs对生长的抑制作用超过MPs的两倍。

CRediT作者贡献声明

苏浩杰：写作—审阅与编辑，概念化。谢平：概念化。钟美莎：软件，方法学。王超坤：写作—审阅与编辑，软件，方法学。陈剑锋：写作—审阅与编辑，形式分析，数据整理，概念化。陈思妮：写作—初稿撰写，形式分析，数据整理。

未引用参考文献

Chen et al., 2020; Wang et al., 2020。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

作者协议声明

我们签署人声明本稿件为原创作品，此前未发表过，目前也未在其他地方考虑出版。我们确认本稿件已由所有署名作者阅读并批准，且没有其他满足作者资格标准但未列出的人员。我们进一步确认，本稿件中作者的排列顺序已获我们所有人批准。我们了解通讯作者是唯一联系人。

资金来源的作用

本研究得到了国家自然科学基金（批准号：32460287、32060273、32371644）、云南省基础研究专项计划（批准号：202501CF070060）以及云南河湖生态修复绿色技术国际联合实验室（批准号：202503AP140017）的资助。资助方未参与本稿件的撰写或投稿决定。作者未因撰写本文而获得任何支付。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32460287、32060273、32371644）、云南省基础研究专项计划（202501CF070060）以及云南河湖生态修复绿色技术国际联合实验室（202503AP140017）的资助。

陈思妮 | 陈剑锋 | 王超坤 | 钟美莎 | 谢平 | 苏浩杰

云南高原湖泊生态与污染控制研究所，云南河湖网络生态保护与资源利用重点实验室，云南河湖生态修复绿色技术国际联合实验室，植被结构、功能与构建国家重点实验室（VegLab），云南大学生态环境学院，昆明，650500，中国