与羽化水生昆虫相关的微塑料揭示了环境迁移的一个潜在途径：蜉蝣 Cloeon dipterum 案例研究

《Environmental Pollution》：Microplastics associated to emerged aquatic insects highlight a potential pathway of environmental transport: a case study of the mayfly Cloeon dipterum

　　

摘要

微塑料可以在陆地、水环境和大气系统之间迁移。然而，水生昆虫在微塑料传输中的作用及其对跨生态系统迁移的潜在贡献仍知之甚少。本研究考察了三种微塑料类型（聚乙烯（PE）碎片、轮胎磨损颗粒（TWPs）和聚丙烯腈（PAN）纤维）在均质层蜉蝣目昆虫Cloeon dipterum中的累积情况。幼虫被暴露于两种微塑料浓度（500和5000个/L），并对与幼虫及新羽化成虫相关的微塑料进行了定量和表征分析。在幼虫消化物中检测到所有三种微塑料类型，表明它们在水生环境中与生物体相关；然而，无法区分摄入和表面粘附。PE碎片最为丰富（每只幼虫16?49个颗粒），其次是TWPs（每只幼虫3?9个颗粒），PAN纤维（≤2个/幼虫）。在羽化成虫的洗涤水（代表表面粘附颗粒）和消化物（代表摄入颗粒）中也发现了微塑料，表明颗粒在变态后仍粘附并存在于生物体内部。颗粒尺寸分析显示，在摄入和粘附过程中均优先保留较小的PE碎片和TWPs，回收颗粒的中位尺寸分别比系统中引入的颗粒小30–57%和24–42%。暴露于较高浓度（5000个/L）PAN纤维显著减少了50%羽化所需时间约一天，而所有处理均未影响成虫脂肪酸谱。总体而言，我们的研究结果表明，所有三种测试的微塑料类型均可与羽化的水生昆虫相关，突显了微塑料生物介导再分配的潜在途径。未来需要进一步研究以确定控制微塑料保留的机制，并理清颗粒特性（如聚合物类型、尺寸和形状）对这些过程及其生态意义的影响。

引言

微塑料越来越被认为是淡水生态系统中普遍存在的污染物（Ding等，2021）。它们通过各种途径进入这些生态系统，包括污水处理厂排放物、地表径流和大气沉降（Priya等，2022）。虽然淡水生态系统，尤其是河流和溪流，被认为是微塑料向海洋环境传输的主要通道，但越来越多的证据还表明微塑料在淡水中长期积累（Besseling等，2017；Yang等，2021）。最近的研究还指出，类似于海洋垃圾带的"河流垃圾带"的存在，大量漂浮的人造垃圾（包括塑料碎片和微塑料）在那里积聚（Gallitelli和Liro，2024）。淡水生态系统中塑料的积累也进一步体现在大量关于在生物体（包括无脊椎动物，如淡水甲壳类和双壳类（Baldwin等，2020；Nan等，2020；Pastorino等，2021；Themba等，2024）以及鱼类，如鲤、条纹鲈、圆腹鱼、大头鱼和白吸口鱼（Baldwin等，2020；McNeish等，2018）中发现微塑料的报道中。在不同生物体中，微塑料可诱发负面效应，如肠堵塞（Redondo-Hasselerharm等，2018）、氧化应激（Na等，2021）和生殖毒性（Qiang等，2020）。

水生昆虫是淡水生态系统的组成部分，既是较高营养级的重要食物来源，也是维护生态系统功能和健康的关键物种（Ribeiro-Brasil等，2022）。野外调查一再证明其幼虫阶段存在微塑料。例如，在泰国和埃及的淡水生态系统中采集的水生昆虫中，报告的微塑料浓度分别为平均每只幼虫1.35个颗粒（Vitheepradit等，2024）至多达每只幼虫5个颗粒（Khedre等，2024）。类似地，Dambri等（2026）发现，在阿尔及利亚各淡水生态系统中采集的水生昆虫样本中，72%含有微塑料，浓度高达每只幼虫0.4个颗粒。实验室研究进一步表明，微塑料暴露会对水生昆虫幼虫产生不利影响。暴露于聚苯乙烯（PS）微塑料（10 mg/L）会在豆娘Ischnura elegans中引起氧化应激并改变肠道微生物群落（Sun等，2025），而摄入聚乙烯（PE）微塑料（20 g/kg干沉积物）会导致Chironomus riparius幼虫的机械损伤并引发炎症反应（Silva等，2021）。在同一物种中，暴露于PE、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）和聚酰胺（PA）混合物，以及仅暴露于PA微塑料，会延长幼虫发育时间并减少成虫羽化（Khosrovyan等，2020；Stankovi?等，2020）。然而，这些研究几乎完全集中在微塑料与水生幼虫阶段的相互作用上，主要评估摄入及其生态毒理学后果。因此，目前尚不清楚与水生昆虫相关的微塑料是否会通过变态过程持续存在并与羽化成虫保持关联，从而促成其超出淡水生态系统的生物介导再分配。虽然这一过程已在蚊（Aedes aegypti和Culex quinquefasciatus）和丽蝇Eristalis tenax中得到证实（Abdulla等，2025；Li等，2024；Simakova等，2022），但这些研究仅将摄入视为微塑料摄取的唯一途径。相比之下，表面粘附（生物粘附），尽管已被认可为微塑料与水生生物之间潜在重要相互作用途径（Kal?íková，2023），却鲜少受到关注。

在此背景下，本研究旨在利用蜉蝣目昆虫Cloeon dipterum作为模式水生昆虫，研究三种具有环境相关性的微塑料类型在变态过程中的摄入、生物粘附和持续性。除对幼虫和羽化成虫相关的微塑料进行定量外，我们还评估了50%羽化时间（EmT50），以确定微塑料暴露是否改变了发育时间和羽化物候。这一终点指标特别相关，因为羽化时间的变化可能改变与水生昆虫羽化相关的"水生到陆地"迁移时机（Kooijman，2009）。我们还测定了羽化成虫的脂肪酸（FA）谱，因为水生昆虫是陆地食物网重要的营养补充，其FA组成是营养质量以及能量和必需营养素从水生生态系统向陆地生态系统传输的关键指标（Azeez等，2014）。我们假设：(i) 摄入和表面粘附的微塑料数量将随暴露浓度增加而增加；(ii) 生物粘附将是微塑料与羽化成虫保持关联的主要途径；(iii) 暴露于较高微塑料浓度（5000个/L）将改变羽化成虫的EmT50和FA谱。本研究通过摄入和生物粘附两个途径，为微塑料与羽化水生昆虫的相互作用提供了新的见解，并突显了微塑料跨生态系统边界生物介导再分配的潜在途径。

各章节摘要

微塑料

聚乙烯（PE）碎片是通过使用超离心研磨机（ZM 300，Retsch，德国）在15,000转/分钟转速下，以1000 μm筛网研磨PE颗粒（Sigma Aldrich，美国）制备的。在研磨过程中，颗粒和研磨机均用干冰冷却。研磨后，将颗粒过筛（355 μm筛网）以获得更小的微塑料组分。红色聚丙烯腈（PAN）纤维是通过从针织面料（Rozman等，2023）上剪下小片段制备的。轮胎磨损颗粒（TWPs）

微塑料与幼虫的相互作用

在所有处理组中，暴露于PE碎片的幼虫检测到的颗粒数量最高，且两种浓度（500和5000个/L）下每只幼虫的颗粒数量相似（图1）。每只幼虫的TWPs数量较低（从每只幼虫2.5到9个颗粒），低于PE碎片（从每只幼虫16到49个颗粒），但两种浓度下观察到相似的模式。此外，即使幼虫暴露于微塑料的时间不同，

讨论

微塑料是动态污染物，可以跨环境区室迁移，并在生物体整个生命周期中与其发生相互作用（Al-Jaibachi等，2018；He等，2021）。在水生系统中，它们不仅受到物理传输过程的影响，还受到生物相互作用（如摄入和表面粘附）的影响（Kal?íková，2023）。之前的研究已经证明，水生昆虫幼虫可以摄入微塑料，突显了它们的潜在作用

结论

兼性水生昆虫可能在不同发育阶段促进微塑料的持续存在和再分配，代表了当前微塑料在生态系统间迁移评估中一个被忽视的途径。本研究中在羽化成虫中检测到微塑料，表明微塑料可以持续通过变态过程，并可能随后可供陆地消费者利用，这提示了水生和陆地暴露途径之间可能存在联系。

CRediT作者贡献声明

Alexander Feckler：写作—审阅与编辑，指导，方法学，形式分析。Agnes Sch?ndorfer：写作—审阅与编辑，调查研究，数据整理。Sebastian Pietz：写作—审阅与编辑，调查研究，数据整理。Polona Jamnik：写作—审阅与编辑，调查研究，数据整理。Eric Bollinger：写作—审阅与编辑，可视化，方法学，形式分析，数据整理。Janna Schulte：调查研究，数据整理。Lea Brixius：调查研究，数据

伦理声明

本研究按照以下动物福利和/或报告准则进行：我们使用无脊椎动物，这些生物在法律上未被归类为动物，因此不需要正式的伦理批准。尽管如此，实验由RPTU的有经验的生态毒理学家按照相关伦理和动物福利准则进行，并采取了适当措施以确保生物体的负责任处理

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作部分由斯洛文尼亚研究与创新局资助（研究项目P2-0191和PLAStouch（N2-0298）（https://planterastics.fkkt.uni-lj.si/plastouch/））。作者感谢卢布尔雅那大学化学与化学工程学院研究基础设施中心的支持，该中心是UL研究与基础设施中心网络（MRIC UL）的一部分，并由斯洛文尼亚研究与创新局提供资金支持。

Ula Rozman|Polona Jamnik|Eric Bollinger|Janna Schulte|Lea Brixius|Sebastian Pietz|Alexander Feckler|Agnes Sch?ndorfer|Mirco Bundschuh|Gabriela Kal?íková

卢布尔雅那大学化学与化学工程学院，Ve?na pot 113，1000，卢布尔雅那，斯洛文尼亚