微塑料经羽化水生昆虫向市政污水影响系统中河岸蜘蛛的跨生态系统转移

《Environmental Pollution》：Cross-Ecosystem Transfer of Microplastics via Emergent Aquatic Insects to Riparian Spiders in a Municipal Wastewater-Impacted System

　　

微塑料（plastic particles ≤5 mm）是水生生态系统中一种持久且广泛分布的污染物，可在栖息于底栖生境的水生昆虫幼虫体内累积。水生昆虫通过变态过程跨越水-陆边界，但极少有研究探讨其作为羽化成虫将微塑料转运至陆地生态系统的角色。本研究于2022和2023年在加拿大安大略省Grand River流域8座市政污水处理厂（municipal wastewater treatment plants）的上游与下游采样，评估这些设施是否增加水生生境与河岸食物网中的微塑料出现率。研究人员采集了毛翅目（Hydropsychidae）、蜉蝣目（Heptageniidae）、摇蚊科（Chironomidae）的幼虫与成虫以及河岸蜘蛛（Tetragnathidae），检测微塑料累积、经变态的滞留情况及向河岸蜘蛛的跨生态系统转移。Heptageniidae幼虫、Chironomidae成虫与Tetragnathidae下游丰度高于上游，浓度分别约为上游的2.4倍、3.7倍和2倍，但差异幅度因位点而异；其余类群无显著差异。有机（纤维素基）与聚酯纤维最常见，分别占各类群颗粒的约25–68%和16–50%。总微纤维浓度与营养级位置（δ15N）的关系总体较弱且具有位点特异性；多数位点生物膜至幼虫类群的转移因子（TTF）>1，而成虫昆虫至蜘蛛间TTF通常<1。上述发现表明羽化水生昆虫可滞留并将微塑料跨水-陆边界转移至河岸捕食者，但食物网中一致的营养放大证据有限。该研究填补了关键知识空白，深化了对微塑料经羽化水生昆虫在近岸食物网中摄取与迁移的理解。

研究背景方面，微塑料（microplastics，≤5 mm塑料颗粒）因塑料使用增加与废弃物管理不足而在城市及受市政污水影响的淡水系统中广泛分布。污水处理厂被视为微塑料进入地表水的点源，出水中以合成与改性纤维素纤维为主，虽去除效率随粒径减小而下降，但仍持续向下游释放。底栖大型无脊椎动物尤其是水生昆虫可摄入微塑料，并经变态将颗粒携带至成虫阶段；河岸蜘蛛（如Tetragnathidae）高度依赖成虫水生昆虫为食，已被用作追踪水-陆污染物转移的哨兵生物。然而，关于微塑料能否经羽化昆虫跨边界转移至陆地捕食者、是否在变态中滞留、以及是否沿食物网营养放大，现有田间证据有限。研究人员此前在Grand River流域已证实污水厂出水增加部分基底资源微塑料但未一致抬升幼虫昆虫摄取，因此本研究首次以配对上-下游设计联合幼虫、成虫与蜘蛛，检验跨生态系统转移假设。论文发表于《Environmental Pollution》。

关键技术方法上，研究人员于2022年6–8月与2023年同期的Grand River流域8座污水处理厂各上、下游500 m内采样，类群涵盖Chironomidae、Hydropsychidae、Heptageniidae幼虫与UV灯诱集成虫，以及河岸Tetragnathidae蜘蛛；生物膜与近岸落叶同步采集供稳定同位素分析。微塑料提取采用30% H₂O₂消化、1.2 μm聚碳酸酯滤膜真空过滤，体视显微镜（≥20–40 μm）形态学判定后取约10%疑似颗粒以傅里叶变换红外光谱（FTIR）核验并比对Open Specy库；以空白样校正污染。稳定氮同位素（δ¹⁵N）由连续流同位素质谱（CF-IRMS）测定，用以指示相对营养级位置。统计上采用线性混合效应模型评估上-下游差异，并以转移因子（TTF₁生物膜→幼虫、MTR幼虫→成虫、TTF₂成虫→蜘蛛）量化微纤维跨营养级与变态传递。

研究结果部分，3.1节微塑料浓度与污水处理厂影响显示，同类群幼虫浓度普遍高于成虫，Chironomidae幼虫最高（0.070±0.010个/mg湿重），Tetragnathidae（0.015±0.001个/mg湿重）与成虫水生昆虫相近；混合模型表明位点（下游偏高）与类群效应显著，采样月份不显著，其中Chironomidae成虫、Heptageniidae幼虫与Tetragnathidae下游分别为上游的3.7、2.4与约2倍，其余类群无显著差。3.2节尺寸指出幼虫颗粒长宽为各虫态最大，变态后成虫颗粒缩小，Tetragnathidae与成虫昆虫重叠，观测下限约20–40 μm故负荷偏保守。3.3节形态表明纤维在各类群占主导（70.1%–90%），下游碎片与薄膜比例略增，蜘蛛碎片占比（27.1%）高于昆虫成虫。3.4节化学组成中，幼虫Chironomidae聚酯类约50%，Hydropsychidae与Heptageniidae以有机质（44–68%）为主，成虫与蜘蛛亦以有机质为主，证实纤维素基染色纤维在显微识别中易与合成纤维混淆但被一并计入人为微颗粒。3.5节微纤维营养放大显示，δ¹⁵N与微纤维关系位点特异，仅Preston与Paris下游生物膜-幼虫呈正放大，Paris上游成虫-蜘蛛呈负稀释；TTF₁多数>1，MTR（变态转移）中半变态Heptageniidae全位点<1，全变态类群变异大，TTF₂蜘蛛/成虫多<1，说明微塑料可跨边界转移但无一致放大。

讨论部分总结指出，污水厂下游仅部分类群微塑料升高，反映摄取效率、暴露路径及流域其他源（道路、农业径流）掩盖了局部信号；生物膜作为整体环境基质其微纤维未必等于幼虫直接食源，TTF₁>1应视为探索性。变态中成虫不取食，微塑料为幼虫期残留，纤维减少、碎片增加、粒径缩小提示大颗粒优先排除、小颗粒组织转运留存，半变态多次蜕皮可能比全变态更利消除。蜘蛛微塑料特征近似成虫昆虫但大碎片偏多，或源自大气沉降丝网及丝蛋白回收摄食，TTF₂<1与δ¹⁵N无放大一致，因微塑料属物理颗粒、留于肠道、难跨膜同化，蜘蛛外消化与选择性排遗进一步抑制蓄积，但实验研究表明即便转移有限仍可致生长、行为及微生物组改变。

结论部分翻译如下：研究发现微塑料可跨营养级转移，但水-陆食物网中营养放大证据有限，与野外、模型及综述中“营养级内累积而非沿网放大”一致。尽管TTF显示幼虫相对生物膜浓度更高，该模式未延伸至幼虫→成虫或成虫→蜘蛛，污水处理厂并未一致抬升下游浓度；本研究是首例跨幼虫-成虫-蜘蛛配对上-下游设计评估微塑料跨界迁移。昆虫与蜘蛛中有机及聚酯纤维主导特征相似，支持经羽化昆虫自水域向陆地转移，同时蜘蛛存在额外陆地输入。营养级位置未伴随浓度上升，表明微塑料暴露不随这些食物网转换而增加；本研究未做毒理风险评估，但微塑料现身水生昆虫仍因其在淡水与河岸食物网的核心地位而关切其向鱼、两栖类、鸟类与蜘蛛更高营养级转移。全球微塑料环境浓度预计持续上升，长期监测其沿食物网累积与迁移仍属必要。