微塑料与砷对蚯蚓（Eisenia fetida）的联合毒性：聚乙烯、聚乳酸和聚丁酸-对苯二甲酸共聚物的比较

《Environmental Pollution》：Combined toxicity of microplastics and arsenic to earthworm ( Eisenia fetida): a comparison of polyethylene, polylactic acid, and polybutylene adipate-co-terephthalate

微塑料（MPs）与砷的联合毒性对土壤动物的影响研究。通过28天蚯蚓（Eisenia fetida）暴露实验，对比传统非降解聚乙烯（PE）与可降解聚乳酸（PLA）、聚丁二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）微塑料与砷酸（As(V)）的共暴露效应，发现可降解微塑料显著降低砷生物累积，并通过氧化应激、脂质过氧化等生物标志物缓解毒性，证实可降解微塑料的拮抗作用更强。

　　

马晓宇|徐卢生|谭金海|崔晓伟|朱莉|王新蕾|王志峰

山东建筑大学市政与环境工程学院，中国山东省济南市凤鸣路1000号，250101

摘要

来自降解农业地膜的微塑料（MPs）经常与土壤中的砷共存，但它们对土壤生物的联合毒性效应尚未得到充分了解。本研究使用蚯蚓Eisenia fetida作为模型生物，在28天的土壤暴露实验中比较了传统的不可生物降解微塑料（聚乙烯，PE）与可生物降解微塑料（聚乳酸，PLA；聚丁酸 adipate-co-terephthalate，PBAT）在共同暴露于砷酸盐（As(V)）条件下的影响。结果表明，随着时间的推移，蚯蚓肠道中的微塑料含量增加，而共同暴露显著减少了组织中的砷积累，其中PLA和PBAT的减少效果比PE更明显。在多种生理和氧化应激相关生物标志物中，As(V)引发了生长抑制和氧化损伤，而微塑料的存在通常减轻了这些不利反应。综合生物标志物响应（IBR）分析表明，联合处理下的整体应激水平低于单独暴露于As(V)的处理，基于IBR-效应叠加指数（EAI）模型的交互作用评估进一步表明As(V)与这三种微塑料之间存在拮抗作用。总体而言，可生物降解微塑料（PLA MPs和PBAT MPs）比传统的PE MPs具有更强的减轻砷毒性的能力。这些发现展示了砷-微塑料共污染中的聚合物依赖性相互作用，并为农业土壤中传统和可生物降解地膜的生态风险评估提供了科学依据。

引言

近年来，微塑料（MPs）污染已成为全球主要的环境问题之一。微塑料通常定义为直径小于5毫米的塑料颗粒，广泛分布于土壤、水生环境和大气中（Silva等人，2018年；Censi等人，2022年）。由于其持久性和潜在的生态毒性效应，它们引起了广泛的科学关注（Cao等人，2021年；FAO，2021年；UNEP，2021年；Wang等人，2019年）。微塑料的来源多种多样，包括工业原料、个人护理产品、塑料制品的降解以及农业地膜的使用（Rai等人，2021年）。在农业生态系统中，地膜技术显著提高了作物产量和水肥利用效率。然而，长期使用导致塑料薄膜破碎和降解，成为耕地土壤中微塑料的重要来源（Mongil-Manso等人，2023年；Xu等人，2025年）。过去几十年中，聚乙烯（PE）被广泛用作传统地膜材料，而近年来可生物降解的地膜如聚乳酸（PLA）和聚丁酸 adipate-co-terephthalate（PBAT）的使用逐渐增加。这些材料在土壤环境中都可以转化为相应的微塑料颗粒，并与重金属或类金属共存，带来新的生态风险。因此，本研究选择了三种代表性的微塑料（PE、PLA和PBAT），比较了它们在砷共同污染下的毒性差异。由于微塑料的微小尺寸和较大的比表面积，它们不仅能够吸附环境中的重金属和有机污染物，还能通过食物链迁移和积累，最终对生物体和人类健康构成潜在威胁（Hodson等人，2017年）。在这种背景下，微塑料的环境行为和生态效应受到了越来越多的关注。然而，不同类型微塑料与重金属或类金属共存时的联合毒性机制仍不明确。

砷（As）是一种在环境中广泛分布的有毒类金属，其来源包括自然过程和人为活动（Nath等人，2024年；Jiménez-Ballesta等人，2023年；Ganie等人，2024年）。自然来源主要包括岩石风化、火山爆发和森林火灾，这些过程使砷能够在大气、土壤、水、植物和岩石中长期存在。人为来源主要来自采矿作业、含砷农药和杀菌剂的使用、化石燃料的燃烧以及某些药物（Chen和Costa，2021年）。在土壤中，砷以多种化学形式存在，其中无机砷物种（如砷酸盐和亚砷酸盐）具有更高的生物毒性和生物可利用性（Li等人，2020年）。本研究选择了土壤中最常见的砷酸盐（As(V)）作为代表形式（Adriano，1986年）。砷的毒性机制包括氧化应激、DNA损伤和细胞凋亡，这些机制会显著影响土壤生物和生态系统功能（Park和Kim，2022年）。在实际土壤环境中，砷很少单独存在，通常与其他污染物如微塑料共存。在这种情况下，微塑料可能通过吸附/解吸、络合和载体介导的传输过程与砷相互作用，从而改变其迁移性、转化和生物可利用性。这些相互作用可能导致不确定且复杂的联合毒性结果（Bhaumik和Chakraborty，2024年）。因此，研究砷和微塑料的联合毒性对于理解它们的生态风险具有重要意义。

目前，关于微塑料和砷联合毒性的研究主要集中在单一类型微塑料与砷之间的相互作用（Luo等人，2025年；Raturi等人，2023年）。然而，不同类型的微塑料具有不同的物理化学性质、降解行为和生态毒性特征（Wang等人，2019年），这可能导致不同程度的联合毒性。例如，PE MPs可能通过吸附和运输污染物、改变土壤的物理化学性质以及干扰微生物群落，从而加剧重金属的生物可利用性和毒性，对土壤生态系统功能和生物体健康构成潜在威胁（El-Sherif等人，2022年）。相比之下，PLA MPs和PBAT MPs可以释放酸性降解产物，改变环境物理化学条件，并破坏微生物群落，从而引发生态毒性（Ali等人，2023年；Tang和Zhou，2025年）。Zhu等人（2023年）还报告了不同类型微塑料与重金属的联合毒性存在显著差异。因此，研究不同类型微塑料与砷的联合毒性对于全面评估微塑料对砷污染的环境风险至关重要。尽管先前的研究表明微塑料可以吸附重金属并影响其生物可利用性，但关于不同类型微塑料与砷联合毒性的研究仍然有限。Wang等人（2019年）报告称，PE微塑料与砷的共同暴露改变了Metaphire californica的肠道微生物群组成，显示出拮抗效应。在后续研究中，同一团队发现PE纳米塑料同样减轻了砷对Metaphire vulgaris肠道微生物群的不良影响（Wang等人，2022年）。相反，Xu等人（2021年）发现聚苯乙烯（PS）微塑料增强了砷和镉对Eisenia fetida的毒性，显示出协同作用。因此，先前的研究结果表明不同类型的微塑料对MPs-砷的联合毒性可能产生不同的影响，而大多数现有研究仅关注了单一的传统塑料类型。农业地膜衍生的新兴可生物降解微塑料（如PLA和PBAT MPs）与砷的联合毒性尚未得到系统研究，它们对土壤生物的生理、生化和分子影响仍不甚清楚。

本研究选择蚯蚓作为实验生物，并使用了三种类型的微塑料：传统的不可生物降解聚乙烯（PE）和两种新型可生物降解塑料，聚乳酸（PLA）和聚丁酸 adipate-co-terephthalate（PBAT）。这些污染物与砷酸盐（As(V)共同构成了联合污染系统。使用蚯蚓Eisenia fetida进行了28天的暴露实验。量化了蚯蚓肠道和粪便中的微塑料含量，以评估其积累和排泄行为，同时测量了蚯蚓组织中的砷生物积累情况。为了评估不同类型微塑料与砷的联合毒性，在蚯蚓中检测了多种生物标志物，包括体重变化率（WCR）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）、谷胱甘肽（GSH）、8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OHdG）、脂质过氧化水平（LPO，以丙二醛（MDA）表示）、溶酶体膜稳定性（LMS，以中性红保留时间（NRRT）表示）和金属硫蛋白（MTs）。选择这些生物标志物来表征蚯蚓在污染压力下的生理状态和毒性反应（?esynait?等人，2021年）。随后计算了综合生物标志物响应（IBR）指数，以评估蚯蚓的整体应激水平（Beliaeff和Burgeot，2002年）。基于IBR结果，进一步计算了效应叠加指数（EAI）（Zhang等人，2012年）。通过整合IBR和EAI模型，本研究旨在比较PE MPs、PLA MPs和PBAT MPs与砷的联合毒性，并阐明不同类型微塑料在复合污染系统中的作用。本研究的结果将为评估土壤生态系统中微塑料和砷的生态风险提供科学依据，并为制定相关污染控制策略提供理论支持。

部分摘录

污染物、测试土壤和蚯蚓

本研究使用的微塑料包括聚乙烯微塑料（PE MPs）、聚乳酸微塑料（PLA MPs）和聚丁酸 adipate-co-terephthalate（PBAT MPs）。这些微塑料颗粒购自上海润宏塑料原料有限公司（中国），颗粒形状不规则。明场显微镜和荧光显微镜下的微塑料对比图像见图S1。所使用的砷污染物为砷酸钠（Na₂HAsO₄·7H₂O，As(V)）

单一污染和联合污染对蚯蚓肠道和粪便中微塑料积累的影响

图1显示了在7天、14天、21天和28天暴露期间，蚯蚓肠道和粪便中微塑料含量的变化趋势。如图1a所示，所有暴露组中，从第7天到第28天，肠道中的微塑料含量逐渐增加。在每个暴露时间点，各处理组之间的肠道微塑料含量没有显著差异。如图1b所示，蚯蚓粪便中的微塑料含量也没有显著变化

讨论

蚯蚓不仅是土壤生态系统中物质循环的重要驱动者，也是环境污染风险评估中常用的模型生物。许多研究在蚯蚓的肠道和粪便中检测到了微塑料，证实了它们能够摄入并在体内积累微塑料（Jiang等人，2020年；Rodriguez-Seijo等人，2017年；Sheng等人，2021年）。在本研究中，随着暴露时间从7天增加到28天，

结论

本研究通过28天的蚯蚓暴露实验评估了三种微塑料（PE MPs、PLA MPs、PBAT MPs）和砷酸盐的联合毒性。结果表明，微塑料对砷的生物积累没有显著影响，但所有三种微塑料都显著减少了蚯蚓中的砷积累，其中PLA MPs-砷联合暴露组的效应最为显著。生物标志物分析显示，联合暴露

CRediT作者贡献声明

徐卢生：方法学。马晓宇：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法学、调查、正式分析。王志峰：写作——审稿与编辑、验证、资源获取、项目管理、资金筹措、概念化。朱莉：写作——审稿与编辑、调查。王新蕾：验证、资源获取、调查。谭金海：验证、正式分析。崔晓伟：验证、正式分析

未引用的参考文献

Wang等人，2019年；Wang等人，2019年；Wang等人，2022年；Wang等人，2022年；Wang等人，2023年；Xu等人，2025年。

数据可用性

数据将应要求提供。

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财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢山东省自然科学基金（编号ZR2023MD011）和中国国家自然科学基金（编号41907351和42577028）的财政支持。