微塑料对淡水系统中铜绿微囊藻影响的生态风险分析与预测：一种元分析方法

《Environmental Pollution》：Ecological risk analysis and prediction of microplastics' effects on Microcystis aeruginosa in freshwater system: a meta-analysis approach

本研究通过元分析整合3,379个数据点，系统评估了微/纳米塑料（MNPs）理化特性（尺寸、降解性）与暴露条件（浓度、时间）对蓝藻Microcystis aeruginosa生长、光合作用、氧化应激及藻毒素释放的跨系统影响。发现纳米塑料及石油基MNPs显著抑制生长和光合效率，同时促进抗氧化和小藻毒素释放，且浓度依赖性与尺寸阈值（<4.01 mm）关联性显著，提出整合模型以指导水生生态风险评价。

　　

梁谋王|何娅|杨辉|李梦雅|李大鹏|李莉

华中农业大学渔业学院，中国武汉430070

摘要

作为新兴污染物，微塑料/纳米塑料（MNPs）对水生生态系统构成了显著的生态风险。然而，关于它们对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）——一种在全球有害藻华中普遍存在的蓝细菌——在多个生理层面上的影响，系统性的理解仍然有限。我们开发了一个关联框架，该框架识别了MNPs的特性（大小、可降解性）与暴露条件（浓度、时间）与铜绿微囊藻四种生理系统中的毒理学反应之间的关键关联。通过对45项研究中的3,379个数据点进行元分析，我们发现MNPs显著抑制了铜绿微囊藻的生长（Hedges' g_overall = -0.70 ± 0.34, p<0.0001）和光合作用效率（g_overall = -0.87 ± 0.38, p<0.0001），同时增强了抗氧化活性（g_overall = 0.37 ± 0.10, p<0.0001）和微囊藻毒素的产生/释放（g_overall = 0.39±0.17, p<0.0001）。值得注意的是，基于可降解性的分类表明，石油基微塑料（PBMs）和纳米塑料（NPs；≤ 100 nm）在生长抑制、膜损伤和微囊藻毒素释放方面比生物基微塑料（BBMs）或较大颗粒具有更强的毒性效应。剂量-反应模式进一步显示，生长和光合作用的抑制具有浓度依赖性，微囊藻毒素的分泌在MNPs浓度达到174.16 mg/L时达到峰值。时间动态揭示了双相反应：光合作用在3-7天内恢复，而氧化还原适应在7天后出现，这表明存在应激适应机制。关键的是，基于距离的冗余分析（db-RDA）显示，细胞内微囊藻毒素的积累与MNPs浓度密切相关，而细胞外释放主要与颗粒大小相关（阈值：< 4.01 mm）。这些发现建立了一个综合概念模型，组织了MNPs特性与特定毒理学途径之间的观察到的关联，并为塑料污染下的藻华动态提供了新的见解。

引言

在过去的几十年中，由于塑料废物管理不善、废水处理不足以及材料降解，水生生态系统中的微塑料/纳米塑料（MNPs）积累量不断增加（Browne等人，2011；Moore，2008）。MNPs被定义为小于5毫米的塑料碎片，其中纳米塑料（NPs）特指小于1微米的颗粒（Guo等人，2024；Ivleva，2021），其检测密度令人担忧——例如在中国黄河流域为4.65 mg/L，在北美五大湖为4.33 mg/L（Fuschi等人，2022；Han等人，2019；Yu等人，2023；Zhao等人，2014）。最近的研究指出，即使相对较低的MNPs浓度（如0.15 mg/L）也会在模拟生态系统中对浮游生物和鱼类产生显著毒性（Rochman等人，2024）。此外，MNPs可以在食物链中积累，对水生生态系统构成严重威胁（Shi等人，2024；Zhao等人，2025）。因此，了解MNPs在水生环境中的生态风险和毒性至关重要。

由铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）主导的有害藻华是全球淡水生态系统普遍面临的威胁，会导致富营养化、氧气耗尽以及大规模鱼类和野生动物死亡。除了生态破坏外，Microcystis产生的肝毒性微囊藻毒素可以通过食物网生物累积，对人类和动物构成严重健康风险（Carmichael等人，2001；Chorus和Welker，2021；Harke等人，2016；Ouyang等人，2024a，2025b）。Microcystis的全球分布和遗传多样性（Dick等人，2021）突显了其在营养丰富和变暖条件下的适应成功，使其成为评估新兴污染物的关键物种。最近的研究表明，微囊藻毒素会在鱼类组织中积累，并在各个营养级引起生化和蛋白质组学紊乱（Anaraki等人，2020；Mohamed等人，2020；Poste等人，2011；Shahmohamadloo等人，2021c，2022a，2023b）。这些发现共同表明，Microcystis藻华代表了生态和毒理风险的一个交汇点，提供了一个生物学上相关的系统，用于评估微塑料和纳米塑料如何加剧毒素产生和环境健康危害。近年来，越来越多的研究关注铜绿微囊藻（M. aeruginosa）对MNPs污染的反应。MNPs的固有特性，包括其大小和可降解性，已被证明会影响它们的环境相互作用，包括迁移和积累途径、水生生物的吸收程度以及它们吸附和携带污染物的潜力（Dwiyitno等人，2024；Han等人，2019）。MNPs的外部因素，如浓度和暴露时间，可能会影响水生生物生活的各个方面，从行为和繁殖能力到最终的生存机会（Li等人，2023）。然而，这些发现仍然分散在专注于单一参数（例如浓度或大小）的研究中（Feng等人，2020；Liu等人，2024；Song等人，2022），缺乏一个系统性的、定量的综合，整合内在特性和外部暴露条件的相互作用。

为了解决这一知识空白，我们对截至2024年12月31日发表的研究进行了全面的元分析，研究了MNPs对M. aeruginosa的影响。本研究旨在：i) 系统评估MNPs的内在特性（可降解性和大小）和外部暴露因素（浓度和时间）对关键生理反应——生长、光合作用、氧化反应和微囊藻毒素动态的影响；ii) 探索在不同条件下MNPs暴露与M. aeruginosa生理变化之间的潜在途径；iii) 使用基于距离的冗余分析（db-RDA）方法和非线性拟合模式评估潜在的环境风险，从而将实验室得出的模式转化为与现场相关的假设。通过将可降解性作为中心分类标准，并结合颗粒大小和暴露参数，这项工作超越了传统的基于聚合物的分类方法，建立了一个多维框架来评估MNPs的毒性。我们的分析表明，这种方法提供了与传统基于聚合物的分类方法（Guo等人，2024；Li等人，2023）互补的功能相关见解，特别是在阐明内在和外在特性如何共同调节毒理学结果方面。最终，这项工作为M. aeruginosa中的MNPs生态毒性提供了一个综合概念模型，并支持在微塑料污染的水生系统中进行更准确的风险评估。

章节摘录

文献搜索和选择标准

在本研究中，我们使用了与M. aeruginosa（‘Microcystis aeruginosa' 或 'algae' 或 'Microalgae' 或 'phytoplankton'）和微塑料/纳米塑料（‘micro plastic*' 或 'polyethylene*' 或 'polypropylene*' 或 'polystyrene*' 或 'polyamide*' 或 'polystyrene*' 或 'nanoplastics*' 或 'MPs*'）相关的关键词组合，从Web of Science、PubMed和中国国家知识基础设施（CNKI）等数据库中检索了截至2024年12月31日的相关研究。

MNPs对M. aeruginosa的影响

在本研究中，我们采用元分析方法从四个不同方面评估了MNPs对M. aeruginosa的影响（图2）。MNPs显著抑制了M. aeruginosa的生长活动（g_overall=-0.70±0.34, p<0.0001），同时也抑制了其光合作用系统（g_overall=-0.87±0.38, p<0.0001）。相反，氧化还原系统（g_overall=0.37±0.10, p<0.0001）和藻类群体的微囊藻毒素产生和释放系统（g_overall=0.39±0.17, p<0001）得到了显著促进。

MNPs内在特性对M. aeruginosa及其潜在机制的影响

我们的分析表明，环境稳定性——通过降解抗性来量化——是决定MNPs对M. aeruginosa毒性的关键因素，这与传统的聚合物类型分类无关。值得注意的是，PBMs在抑制生长和光合作用方面表现出更强的关联（图8），这与它们较慢的降解动力学和较长的生态持久性一致（Jin等人，2025；Xu等人，2024）。在自然环境中，

研究的意义和局限性

本研究系统评估了MNPs对M. aeruginosa的毒性，揭示了降解抗性、大小、浓度和暴露时间对生长、光合作用、氧化应激和微囊藻毒素动态的影响。关键发现表明，较小的NPs和不可降解的PBMs通过诱导细胞损伤、破坏氧化还原平衡和放大微囊藻毒素释放而带来更高的风险。

结论

基于对45项实验室研究（3,379个数据点）的全面元分析，本研究阐明了MNPs对M. aeruginosa的毒性主要与颗粒大小和浓度相关——这些发现得到了包含在内的研究中的综合证据的一致支持。具体来说，NPs（≤100 nm）和PBMs与生长抑制、光合作用抑制、氧化损伤和微囊藻毒素产生增加的关联更强。

CRediT作者贡献声明

何娅：软件、方法论、数据管理。李大鹏：监督、资源。李梦雅：正式分析、概念化。李莉：写作——审稿与编辑、监督、资源、项目管理、方法论。杨辉：验证、软件、数据管理。梁谋王：写作——初稿、软件、正式分析、数据管理

未引用的参考文献

中华人民共和国生态环境部，2022；Ouyang等人，2025a；Ouyang等人，2024b。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据将根据请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFE0112200, 2023YFD2400505）以及农业部和农业农村部的中国农业研究系统（CARS-45）的支持。