微塑料和纳米塑料对群落组成及二甲基硫化合物产生的影响

《Environmental Pollution》：Effects of micro- and nano-plastics on community assemblages and dimethylated sulfur compounds production

本研究在南海开展微宇宙实验，探究不同浓度（0.1、1、10 mg/L）的50 nm PS纳米塑料、5 μm PS微塑料及20 μm PE、PA6微塑料对浮游动物摄食率、叶绿素a、浮游植物、细菌和病毒群落，以及DMS和DMSP生成的影响。结果表明，中高浓度处理显著降低摄食率，且存在剂量和粒径依赖效应；高浓度PS纳米塑料抑制叶绿素a及浮游植物丰度，低浓度PS刺激甲基半胱氨酸丙酸消耗菌等微生物增殖，从而影响有机硫循环。

　　

陈永桥|于娟|田纪元|孟春霞|赖静光|张琦|卢东亮|杨贵鹏

中国海洋大学化学与化学工程学院，教育部海洋化学理论与技术重点实验室，深海多圈层与地球系统前沿科学中心，青岛，266100，中国

摘要

微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）污染被广泛认为是一个威胁海洋生态系统的紧迫全球性问题。关于它们对浮游生物影响的大多数研究都是在实验室中进行的，实地研究较少。为了填补这一空白，我们进行了一项微宇宙实验，以研究三种浓度的50纳米聚苯乙烯（PS）NPs（0.1、1和10毫克/升）、5微米PS MPs、20微米聚乙烯（PE）MPs和20微米聚酰胺6（PA 6）MPs对浮游动物摄食、浮游植物数量、细菌数量以及二甲基硫（DMS）和二甲基硫代丙酸酯（DMSP）产量的影响。研究结果表明，桡足类和轮虫的摄食行为增加了DMS的产生和DMSP裂解酶（DLA）的活性。然而，中等和高浓度的PS、PE、PA 6 MPs和NPs暴露降低了桡足类和轮虫的摄食率以及DMS和溶解态及颗粒态DMSP（DMSP_d,p）的浓度，这表现出剂量和颗粒大小的依赖性效应。在浮游生物微宇宙实验中，高浓度的50纳米PS显著抑制了叶绿素a的浓度和浮游植物的数量。此外，高浓度的PS、PE和PA 6 MPs/NPs还显著降低了DMS浓度、DMSP_d浓度、DLA和消耗DMSP的细菌数量。相反，低浓度的50纳米和5微米PS促进了消耗甲基巯基丙酸酯的细菌、病毒和细菌的生长。这些结果揭示了MPs和NPs对浮游生物群落的生态毒性影响及其对有机硫循环的意义。

引言

由于微塑料（MPs，颗粒小于5毫米）在陆地、淡水、海水和大气环境中的普遍存在及其潜在危害，它们受到了特别关注（Ho等人，2025年）。每年约有500万至1300万吨塑料垃圾进入海洋，并分解成MPs和纳米塑料（NPs，小于1微米）（Cheng等人，2023年）。MPs和NPs通过污水、风和大气传输进入海洋生态系统（Iheanacho等人，2023年）。聚乙烯（PE）是海水中最常见的聚合物（占总产量的23%），其次是聚苯乙烯（PS，22%）、聚丙烯（12%）和聚酰胺6（PA 6，6%）（Olubusoye等人，2023年）。海洋生物可能会摄入这些颗粒，从而将其传递到食物链中（Luo等人，2025年）。

浮游动物是水生生态系统中的关键初级消费者，由于MPs和NPs的微小尺寸，它们经常被误食，导致有害影响，如肠道损伤、进食减少、生长延迟、繁殖能力下降以及寿命缩短，例如在大溞（Daphnia magna）、桡足类、轮虫和纤毛虫等物种中（Choi等人，2020年；Liang等人，2024年；Mao等人，2022年；Zhao等人，2024年）。这些影响源于营养不良、能量缺乏、氧气压力、激素异常和细胞凋亡（Cheng等人，2023年；Thakur等人，2025年）。MPs和NPs也可能提供额外的营养，促进浮游动物的生长（Amariei等人，2022年）。除了浮游动物外，MPs和NPs还会干扰浮游植物群落，影响其生长、形态、光合作用、叶绿素含量、活性氧（ROS）含量和基因表达（Chen等人，2024年；Hitchcock，2022年；Rani-Borges等人，2021年；Zheng等人，2022年；Zhou等人，2021年）。涉及的机制包括物理碰撞、光照遮蔽和渗出物释放（Mao等人，2018年）。对浮游植物生长的影响包括抑制（Rani-Borges等人，2021年）、促进（Lian等人，2020年）或无影响（Niu等人，2021年），这取决于MPs的性质（形状、类型、浓度和大小）以及涉及的藻类种类（Kiki等人，2023年；Zheng等人，2022年）。此外，MPs和NPs还会破坏细菌群落结构，对多样性和功能产生不利影响，并改变代谢途径和酶活性，从而影响碳和氮循环（Li等人，2023年；Liu等人，2024b；Tian等人，2025年）。尽管如此，MPs和NPs对群落组成和硫循环的影响仍需进一步研究。

二甲基硫（DMS）是一种负温室气体，由于其生物地球化学循环和气候影响而受到广泛关注（Charlson等人，1987年；Hopkins等人，2023年）。它来源于浮游植物的代谢副产物二甲基硫代丙酸酯（DMSP），通过细胞衰老、浮游动物摄食和病毒感染释放到海洋环境中（Curson等人，2017年；Malin等人，1998年）。浮游动物将颗粒态DMSP（DMSP_p）转化为溶解态DMSP（DMSP_d），促进细菌将其降解为DMS（Stefels等人，2007年）。浮游动物的摄食还通过刺激DMSP与DMSP裂解酶之间的相互作用来促进DMS的产生（Zhang等人，2022年）。此外，细菌可以利用DMSP裂解酶（DddP、DddQ、DddY）将DMSP_d降解为DMS，并通过一系列酶将其转化为3-甲基巯基丙酸酯（MMPA），然后再转化为DMS（Lei等人，2018年；Levine等人，2012年；Shao等人，2019年；Zhang等人，2024b）。DMSP和MMPA也是细菌的碳和硫来源（Shao等人，2019年）。MPs和NPs通过降低浮游植物生物量从而显著抑制DMS的产生（Ma等人，2025年）。消耗DMSP的细菌（DCB）在海洋中广泛分布，并专门代谢DMSP，而消耗MMPA的细菌（MMPA-CB）存在于多种海洋环境中（Clerc等人，2023年；Reisch等人，2013年）。这两种类型的细菌通过涉及DMSP和MMPA的代谢活动在碳和硫循环中起着关键作用（Clerc等人，2023年；Wirth等人，2020年）。

许多研究评估了MPs和NPs对浮游植物生长、浮游动物摄食、抗氧化机制和二甲基化硫化合物的影响（Liu等人，2024a；Yu等人，2024a，2024b）。然而，大多数研究是在实验室中进行的，只有少数在中间尺度或现场条件下进行。为了探索这些效应对群落组成和二甲基化硫产生的影响，我们在南海（SCS）进行了微宇宙实验。本研究旨在探讨MPs和NPs对桡足类Calanus sinicus、Tigriopus japonicus和轮虫Brachionus plicatilis的摄食率（IRs）以及叶绿素a（Chl a）含量、细菌生长、浮游植物数量、DMS和DMSP_d,p产生的影响。这项研究为了解MPs和NPs污染在自然环境中的群落动态和有机硫循环提供了宝贵的见解。

研究地点和实验设计

为了探讨MPs和NPs对浮游动物摄食、叶绿素a、细菌生长、浮游植物和病毒以及二甲基硫化合物的影响，2021年夏季（8月18日至9月10日），我们在南海的“东方红3号”科学研究船上进行了四次基于微宇宙的实验。实验使用了50纳米和5微米的PS，以及20微米的PE和20微米的PA 6 MPs/NPs，这些都是海洋环境中常见的聚合物（Olubusoye等人

叶绿素a浓度和摄食率

暴露于PS、PE和PA 6后，C. sinicus、T. japonicus和B. plicatilis实验中的叶绿素a浓度分别增加了4.8%–91%、3.7%–32%和7.2%–41%，这与MPs和NPs浓度的升高有关（图1A、2A、3A）。此外，由于摄食作用，C. sinicus和B. plicatilis的叶绿素a浓度在动物对照组和所有处理组中均显著降低（P < 0.05或0.01，图1A，

MPs和NPs对摄食率、DMS和浮游动物摄食期间DMSP产生的影响

浮游动物容易摄取MPs并将其传递到更高的营养级，从而导致生态毒性影响（Bai等人，2021年）。Wen等人（2023年）发现微浮游动物的摄食率与叶绿素a浓度之间存在明显的负相关，本研究也得到了支持（表S6–8）。随着PS、PE和PA 6浓度的增加，C. sinicus、T. japonicus和B. plicatilis的摄食率降低，导致叶绿素a浓度升高（图1A–B、2A–B、3A–B）。显著降低的摄食率

结论

我们的研究表明，MPs和NPs通过改变浮游生物群落的组成和浮游动物的生理活动，从而影响DMS和DMSP的产生。桡足类和轮虫的摄食促进了DMS的释放。PS、PE和PA 6 MPs和NPs对浮游动物的摄食率产生了剂量和颗粒大小依赖性的影响，间接导致DMS和DMSP_d,p产生的变化。另一方面，MPs和NPs改变了浮游生物的组成

作者贡献声明

田纪元：研究。于娟：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念化。赖静光：研究。孟春霞：研究。陈永桥：写作——审稿与编辑、初稿撰写、研究、数据管理。卢东亮：写作——审稿与编辑。张琦：研究。杨贵鹏：写作——审稿与编辑

未引用的参考文献

Rodríguez Torres等人，2023年；Yu等人，2020年。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42576038和42330402）和泰山学者项目专项基金（tspd200240805）的财政支持。同时，我们也感谢“东方红3号”船的船长和船员在野外调查期间提供的不可或缺的帮助和密切合作。