微塑料与甲氰菊酯（Imiprothrin）暴露下浮游臂尾轮虫（Plationus patulus）与光滑卵形溞（Ovalona glabra）的种群动态及竞争相互作用

《Hydrobiologia》：Population dynamics and competitive interactions of Plationus patulus (Müller, 1786) and Ovalona glabra (Sars, 1901) under microplastics and imiprothrin exposure

　　

中文翻译：新型污染物，包括合成拟除虫菊酯类杀虫剂甲氰菊酯（imiprothrin），在城乡地区均被无节制地使用。由于其较长的半衰期（> 50 天）以及在农业、工业和家庭等领域的多样化应用，甲氰菊酯进入水生生态系统并被微塑料吸附。微塑料单独或与其他污染物联合作用时，可诱导浮游动物相互作用的不同响应，并可能产生协同效应。Plationus patulus是一种全球分布的淡水轮虫，在自然界中可能暴露于这些污染物，并可能因与枝角类等其他浮游动物的竞争而受到不利影响。Ovalona glabra是一种常见的沿岸带枝角类，常与P. patulus共存。因此，本研究评估了杀虫剂甲氰菊酯和微塑料单独及联合作用对P. patulus与O. glabra种群增长和竞争相互作用的急性毒性。仅杀虫剂处理下，P. patulus和O. glabra的中位致死浓度（LC50）分别为3.43和336 μg 1^?1。与单一胁迫因子相比，两种浮游动物在微塑料和甲氰菊酯联合暴露下的LC50均大幅降低。在慢性毒性试验中，P. patulus的存活率受到甲氰菊酯和微塑料的不利影响；在O. glabra中，无论单独培养还是与P. patulus竞争，也观察到类似效应。

论文解读：

**研究背景与问题**

在淡水生态系统中，轮虫与小型枝角类之间的竞争关系受到多种非生物和生物因子的调控。这两类浮游动物作为浮游植物的摄食者和更高营养级的猎物，在水生食物网中扮演关键角色。然而，资源分配与竞争本身即为环境胁迫因子，干扰竞争和利用性竞争在两类浮游动物之间普遍存在，大型枝角类如溞属（Daphnia）往往在食物资源竞争中占据优势，抑制轮虫种群增长。即使小型枝角类如Scapholeberis kingii也能通过机械干扰降低轮虫的存活率和繁殖力。在浅水水体如墨西哥霍奇米尔科湖（Lake Xochimilco）中，浮游性、兼性浮游（tychoplanktonic）和底栖性浮游动物共享食物资源，竞争结果不仅取决于食物可利用性，还受捕食和毒素水平影响。与此同时，水体污染显著改变枝角类和轮虫的种群动态：轮虫在污染水体中常能维持繁殖，而枝角类则更易受到毒物抑制。微塑料（microplastics, MPs）作为新兴污染物，因其粒径小、分布广，可被浮游动物摄食，导致滤食受阻、消化道堵塞、繁殖力下降及氧化应激等负面影响；此外，微塑料还能吸附水体中多种有机污染物，成为其运输载体。甲氰菊酯（imiprothrin, IP）是一种合成拟除虫菊酯类杀虫剂，半衰期长（> 50 天），在农业和城市区域广泛使用，易进入水生态系统并吸附于微塑料表面。目前关于微塑料与甲氰菊酯联合暴露对轮虫和枝角类竞争关系的定量研究十分匮乏。因此，本研究旨在探讨甲氰菊酯和微塑料单独及联合作用下，全球性分布淡水轮虫Plationus patulus与常见沿岸带小型枝角类Ovalona glabra的种群增长和竞争动态变化，并检验二者是否存在协同效应。

**研究设计与方法**

研究人员选用单细胞绿藻Chlorella vulgaris作为两种浮游动物（轮虫P. patulus和枝角类O. glabra）的食物，培养及实验均在23 ± 1 °C、连续漫射荧光照明条件下进行，藻类密度为1×10⁶ cells ml^?1。采用重建的中等硬度水（EPA medium）维持两种浮游动物的克隆培养，每种克隆均起源于单个孤雌生殖个体并培养超过6个月。实验中使用的微塑料为5 μm聚苯乙烯微球（Sigma-Aldrich），以质量浓度（mg l^?1）配制母液并用超声匀化；基于预试验选择具有约28%效应的微塑料浓度8.5 mg l^?1用于生命表和种群增长实验。甲氰菊酯为分析纯（CAS 72963-72-5，纯度90%），用双蒸馏水和0.05% w/w二甲基亚砜（DMSO）配制成1 g l^?1母液；阴性对照表明DMSO无致死效应。对于O. glabra，其24-h LC50参考已有文献为336 μg l^?1；对于P. patulus，研究人员采用Probit方法（Finney, 1971）推导其24-h LC50，并选择其10% LC50（0.343 μg l^?1）作为两种浮游动物的亚致死浓度。在联合处理中，先将微塑料加入EPA培养基，再加入既定浓度甲氰菊酯，20 min后接种浮游动物，最后加入藻类。

研究采用生命表人口学方法和种群增长实验，设置了对照、微塑料（MPs）、甲氰菊酯（IP）及二者联合（10%IP + MPs）四种处理，每种处理下P. patulus和O. glabra分别单独培养和混合竞争培养。生命表实验每种处理设5个重复队列，以<12 h龄新生个体开始，逐日记录存活与繁殖，直至队列全部死亡，并计算年龄特异性存活率（l_x）、繁殖率（m_x）、总生殖率、净生殖率（R_o）、世代时间（T）和内禀增长率（r）。种群增长实验同样以相同初始密度单独或混合培养，每日计数并更换培养基，持续24天，计算种群增长率r。为评估联合毒性是协同、相加还是拮抗，研究人员采用Bliss独立性模型（Bliss Independence Model），通过比较两污染物单独效应之和的期望效应（E_EXP）与联合暴露实测效应（E_OBS）的关系进行判断。统计分析采用方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验，存活曲线使用Kaplan–Meier对数秩检验，所有分析在SigmaPlot v11中完成。

**研究结果**

**（1）中位致死浓度（LC50）**
仅甲氰菊酯处理下，P. patulus的24-h LC50为3.43 μg l^?1，O. glabra为336 μg l^?1；微塑料在极高密度下也未导致P. patulus死亡率超过30%，因此无法获得其单独LC50。当甲氰菊酯与微塑料联合时，P. patulus的24-h LC50降至1.38 μg l^?1，表明联合暴露显著增强毒性。
**（2）年龄特异性存活率**
慢性暴露下，P. patulus受甲氰菊酯和微塑料显著影响，在10%IP + MPs处理中7天内全部死亡，而对照组存活19天。O. glabra在对照组存活超过50天，但在10%IP + MPs处理中未能存活超过1周。竞争条件下，P. patulus在对照中不受O. glabra影响，但甲氰菊酯使其存活时间降至不足7天；O. glabra与P. patulus竞争时，在无污染物条件下与单独培养无明显差异，但在IP、MPs及其联合处理中几乎无法存活超过2周。微塑料单独对枝角类存活的不利影响明显大于轮虫，而IP + MPs联合暴露对O. glabra存活的作用最为剧烈，队列在10天内全部死亡。
**（3）年龄特异性繁殖率（m_x）**
对照组中两种浮游动物单独或竞争培养的繁殖曲线相似，每雌每日产仔数均小于3，繁殖分散于整个寿命期。各污染物处理使繁殖期缩短，常呈现单一繁殖高峰。O. glabra在MPs与IP联合暴露下的总产仔数较对照组下降85%；P. patulus在竞争和MPs暴露下总产仔数较对照组增加约25%。O. glabra与轮虫竞争时，繁殖力受到不利影响，包括在MPs存在时。
**（4）生命表人口学参数**
对于P. patulus，不同处理下平均寿命、出生时预期寿命、总生殖率、净生殖率、世代时间和种群增长速率分别变动于5–12 d、4–12 d、6–21 offspring female^?1 lifespan^?1、4–11 survival-weighted offspring female^?1 lifespan^?1和0.42–0.65 day^?1，处理间差异显著（p < 0.05）。O. glabra的平均寿命、预期寿命、总生殖率、净生殖率和世代时间亦显著受处理影响（p < 0.05）。
**（5）种群增长动态**
对照组中两种浮游动物均呈现短滞后期、长指数期和减退期；竞争及污染物存在时指数期缩短，峰值种群密度显著降低（p < 0.05）。P. patulus与枝角类竞争时，污染物导致种群增长率较对照组降低约50%。O. glabra与轮虫竞争时，MPs存在下峰值密度下降更明显；无论是否竞争，O. glabra的种群增长率在污染物处理下均显著降低（p < 0.05）。
**（6）Bliss独立性模型分析**
对生命表和种群参数进行Bliss模型分析并结合双向方差分析统计评估，结果显示IP + MPs联合暴露在约42%的参数中表现为协同效应；超过45%的生命表参数受影响，其中P. patulus和O. glabra的存活率表现尤为明显。种群增长参数中，P. patulus对IP + MPs协同效应更为敏感。同一物种在不同参数和浓度下也可能出现拮抗效应。

**讨论与结论**

本研究证实，微塑料和甲氰菊酯单独及联合暴露均会降低P. patulus和O. glabra的存活率、繁殖力及种群增长参数，但枝角类O. glabra对污染物的敏感性高于轮虫P. patulus，尤其是联合暴露时更明显。在竞争中，P. patulus的总产仔数在单一和复合胁迫下保持稳定或增加，而O. glabra产仔量下降，表明污染物可能通过选择性抑制枝角类而释放轮虫的竞争压力。Bliss模型分析揭示了两污染物对多种人口学参数具有协同效应，证明低浓度长期暴露的联合毒性不可忽视。研究人员强调，尽管微塑料吸附甲氰菊酯的定量机制尚不明确，但联合暴露的持续接触更接近自然情境。研究结果提示，同时含有微塑料和甲氰菊酯的水体（如墨西哥霍奇米尔科湖）中，轮虫相对枝角类的优势地位可能部分归因于这些污染物的联合作用。未来需通过野外浮游动物采集或中宇宙实验进一步验证微塑料和甲氰菊酯联合暴露对浮游动物群落结构的真实影响。