不同类型和浓度的土壤微塑料对蚯蚓的生态毒性影响

《Environmental Pollution》：Ecotoxicological effects of soil microplastic types and concentrations on earthworms

微塑料污染对陆生生态系统的影响及蚯蚓毒性研究系统评估了PE、PP和PBAT三种塑料在0.05%-2%浓度下对蚯蚓的生存、生长、繁殖及氧化应激影响，发现PP-MPs呈现剂量悖论效应，高浓度致死的矛盾现象，同时所有处理均导致繁殖异常和氧化损伤，PBAT毒性最强。

　　

刘秀婷|董文怡|高海河|王凯|刘学军|严长荣

国家农业科学院资源与环境科学学院养分利用与管理国家重点实验室，中国农业大学，北京，100193，中国

摘要

由于微塑料（MPs）对土壤健康和生物群的潜在威胁，其在陆地生态系统中的污染引起了全球关注。本研究系统地调查了常规塑料材料（如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和可生物降解的聚（丁酸乙二醇酯-对苯二甲酸乙二醇酯）（PBAT）微塑料在环境相关浓度下对蚯蚓Eisenia fetida的生态毒性效应。实验进行了28天的土壤培养，微塑料的暴露浓度分别为0.05%、0.5%和2%（w/w）。评估指标包括存活率、生长情况、繁殖能力、氧化应激生物标志物、组织病理学变化（通过H&E染色）以及综合生物标志物反应（IBR）。结果表明，毒性具有聚合物和浓度依赖性。虽然PE和PBAT微塑料对存活率和生长没有显著影响，但PP微塑料表现出矛盾的剂量效应：2%的PP微塑料导致了显著的死亡率（16.7%，p<0.05），而0.05%的PP微塑料则促进了生长（生长率增加了42.1%，p<0.001）。所有微塑料处理都干扰了繁殖效率，增加了茧的产生，但没有相应的幼体产出。在0.5%和2%的暴露浓度下观察到了氧化应激和组织损伤（表皮、肠道和生殖器官）。值得注意的是，PBAT微塑料诱导了最高的细胞毒性，表现为8-羟基-2’-脱氧鸟苷（8-OhdG）水平升高（190.9 ng L^-1）和IBR值增加，表明DNA损伤和综合应激加剧。这些发现强调了常规微塑料和可生物降解微塑料对土壤无脊椎动物的生态风险，强调了需要进行综合考虑聚合物特异性毒性和长期暴露情景的全面风险评估。

引言

微塑料（MPs），定义为直径小于5毫米的塑料颗粒（Thompson等人，2004年），已成为海洋、大气和陆地生态系统中普遍存在的污染物（Zhou等人，2020年；Meng等人，2023年；Parolini等人，2024年）。尽管联合国环境规划署（UNEP，2014年）将微塑料认定为第二严重的科学问题，但其在陆地环境中的影响仍鲜有研究（Zhang等人，2022a）。陆地土壤中的微塑料含量通常是海洋系统的4-23倍（Wang等人，2023年；Zhang等人，2024c），主要来源于农业塑料薄膜、废水污泥、堆肥、大气沉降和废物处理（Huang等人，2020年；Khalid等人，2023年；Qi等人，2023年；Ren等人，2023年）。农业土壤中富含多种微塑料，主要由聚乙烯（PE-MPs）和聚丙烯（PP-MPs）组成，这些微塑料主要来源于地膜、包装材料和农药容器（Kim等人，2021年；Li等人，2021b；Zhang等人，2022c；Parolini等人，2024年）。最近，基于化石燃料的可生物降解聚合物聚（丁酸乙二醇酯-对苯二甲酸乙二醇酯）（PBAT-MPs）作为低密度聚乙烯（LDPE）的可持续替代品在可生物降解地膜应用中受到关注，但其生态效应仍不清楚（Xing等人，2019年；Forsell等人，2024年）。

特别是，微塑料对土壤动物（包括蚯蚓）的生态影响仍大多未被探索（Chang等人，2024年；Li等人，2024年；Liu等人，2025年）。Eisenia fetida是一种关键的土壤无脊椎动物，由于其对抗环境压力的敏感性而被广泛用作生物指示物（Chen等人，2024年；Jiang等人，2024年；Zhang等人，2024c）。有证据表明，微塑料的摄入可引起蚯蚓的氧化应激、组织病理学损伤、生长变化和繁殖能力下降，其影响因聚合物类型和暴露浓度而异（Huerta Lwanga等人，2016年；Boughattas等人，2021年；Gautam和Anbumani，2023年）。例如，据报道，暴露于浓度低于0.0001%的聚苯乙烯（PS-MPs）的蚯蚓会出现氧化应激反应（Jiang等人，2020年；Wang等人，2025年）。矛盾的是，Eisenia fetida在含有0.1-1% LDPE-MPs、聚乳酸（PLA-MPs）或PBAT-MPs的土壤中仍能存活，且氧化或繁殖效应不明显（Meng等人，2023年；De Felice等人，2024年）。这些发现支持了低浓度微塑料暴露可能存在的安全阈值。最新证据进一步表明，当PE-MPs的浓度超过0.25% w/w时具有显著的毒性，且微塑料的毒性通常表现出剂量和聚合物依赖性（Chan等人，2023年；Yang等人，2023年；Forsell等人，2024年）。

先前的研究报道的微塑料对蚯蚓的毒性阈值并不一致，这主要是由于聚合物类型和暴露浓度的差异。在许多情况下，实验中应用的微塑料浓度远高于农业土壤中的实际浓度，限制了研究的现实意义（Ding等人，2021年；Ji等人，2021年）。Chen等人（2022年）报告称，尽管消化/免疫系统受损程度不同，PE-MPs和PP-MPs的分子毒性相当。有趣的是，蚯蚓会选择性地摄入可生物降解的微塑料，尤其是在受聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET-MPs）/PLA-MPs污染的土壤中（Zhang等人，2018年；Wang等人，2022a）。浓度-聚合物交互作用在死亡率模式中尤为明显：在高浓度（>1% w/w）下，PE-MPs的致死性高于PLA-MPs，而在低浓度暴露下这种毒性顺序则相反（Ding等人，2021年）。目前，微塑料类型和浓度之间的相互作用仍不明确，特别是对于像PBAT-MPs这样的可生物降解聚合物。虽然PLA-MPs已得到研究，但PBAT-MPs对蚯蚓的健康影响仍大部分未探索。这些矛盾的发现突显了在微塑料类型/浓度协同作用方面的关键知识空白，需要系统性的研究来阐明其机制。

在这项研究中，我们选择了三种代表性的微塑料（PE-MPs、PP-MPs和PBAT-MPs），并在受控的土壤-蚯蚓微宇宙实验中以0.05%、0.5%和2% w/w的浓度进行暴露。使用Eisenia fetida作为模型生物，我们评估了多个指标，包括存活率、生长情况、组织病理学和氧化应激反应。据报道，工业地区的土壤中微塑料占干重的0.03-6.7%，农业土壤中占0.006-6.75%（Gautam等人，2024年）。先前的研究使用0.0062-0.1%、0.03-1%和1-20%的不同浓度来评估土壤生物反应（Rodríguez-Seijo等人，2018年；Wang等人，2019年；Gutiérrez-Rial等人，2025年）。本研究中采用的浓度范围旨在反映文献中常用的范围，并接近环境相关的暴露水平。我们假设微塑料的类型和浓度对蚯蚓的存活率和生长没有显著影响，但可能引起氧化应激、组织损伤和不同程度的繁殖能力下降。这种方法旨在阐明特定聚合物的生态毒性特征和浓度依赖性效应，从而为量化陆地生态系统中的微塑料风险提供机制性见解。

材料

PE-MPs、PP-MPs和PBAT-MPs（上海燕硕实业有限公司，纯度99.9%，<1毫米）通过FTIR（Bruker LUMOS Ⅰ，德国；补充材料S1）进行了化学表征。长期非薄膜农田土壤（0-20厘米）采集自北京益达现代农业生态园（40.093600°N，116.921742°E），该土壤远离工业设施，没有其他潜在污染源。蚯蚓购自河北省石家庄的新益达蚯蚓养殖场。

蚯蚓的存活率（SR）和生长率（GR）

每个盒中的蚯蚓存活数量在第28天逐渐减少并稳定在10-11条；最终每条蚯蚓的体重为0.59 ± 0.01克（图1A；图S2和S3）。在各种处理中，2% PP-MPs的存活率最低（SR，83.3%），显著低于其他所有处理（p < 0.05；图1B）。在低和中等浓度下，不同聚合物类型的存活率没有差异，而在2% PP-MPs处理下，存活率显著低于PE-MPs和PBAT-MPs。总生物量

微塑料对蚯蚓存活率和生长的影响

生物量和存活率（或死亡率）的变化通常被用作评估污染物对蚯蚓毒性的敏感指标（Li等人，2017年；Cheng等人，2024年）。当暴露于三种不同浓度的PE-MPs、PP-MPs和PBAT-MPs时，只有暴露于2% PP-MPs的蚯蚓死亡率达到了16.7%，显著高于其他处理。暴露于PP-MPs的蚯蚓表现出浓度依赖性的存活率

结论

本研究系统地评估了常规微塑料和可生物降解微塑料（PE-MPs、PP-MPs和PBAT-MPs）对Eisenia fetida的生态毒性效应，发现了明显的聚合物和浓度依赖性反应。PP-MPs表现出矛盾的剂量效应：2%的浓度导致了显著的死亡率（16.7%，p<0.05），而0.05%的暴露则促进了异常的生长（生长率增加了42.1%，p<0.001）。所有微塑料处理都增加了茧的产生，但没有相应地提高

作者贡献声明

严长荣：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹集、概念构思。王凯：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理、正式分析。刘学军：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹集、概念构思。董文怡：验证、监督、方法学设计、实验实施、正式分析。高海河：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、项目协调

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。

6. 致谢

本研究得到了国家自然科学基金[32261143459, 42277097]、河北省高层次人才计划[2024HBQZYCXY037]以及内蒙古自治区鄂尔多斯市的关键研发项目[ZD20232320]的财政支持。我们衷心感谢实验助理Juan Wu在实验过程中提供的宝贵技术帮助，同时也感谢Karen Mancl博士的专业语言编辑，她的编辑工作极大地提高了