微生物群落对淡水中型生态系统中长期暴露于纳米塑料和微囊藻毒素-LR的响应

《Journal of Environmental Sciences》：The response of microbial metacommunity to long-term exposure of nanoplastics and microcystin-LR in freshwater mesocosm

纳米塑料（NPs）和微囊素-LR（MC-LR）作为新兴污染物，其协同生态效应在 freshwater mesocosm 系统中得到量化分析。研究发现：沉积物是NPs的主要汇，而MC-LR延缓了水体中NPs的沉降；共暴露显著降低微生物多样性（α-和β-多样性），改变群落组装过程（随机→确定），并削弱微生物网络复杂性。关键菌门Methylococcaceae和Flavobacteriaceae的功能（碳循环、污染物降解）在协同暴露下尤为突出。本研究为水生生态系统NP与MC-LR联合风险评价提供了新方法学框架和关键数据。

　　

张朝阳|鲍飞帆|张敏|林道辉

绍兴大学生命与环境科学学院，中国绍兴312000

摘要

纳米塑料（NPs）和微囊藻毒素-LR（MC-LR）是水生生态系统中的两种新兴污染物。目前对污染物毒性的理解仍受到实验室微宇宙研究的限制，因为这些研究无法完全复制自然水生系统的复杂动态。本研究通过使用一个真实的淡水中型生态系统，量化了NPs的分布动态以及MC-LR共同作用下的微生物群落重组动态，从而填补了这一空白。研究结果表明，沉积物是NPs的主要沉降场所，而MC-LR减缓了NPs的沉降过程。沉积物中的微生物网络表现出更强的抵抗力，其多样性变化最小，相比之下，水柱和鱼类肠道中的微生物群落则更为敏感。MC-LR导致水柱中的α多样性呈现双相变化（先增加后下降），并抑制了固氮和硝化菌类的生长；而NPs降低了水柱中的α多样性，但增加了β多样性。长期暴露于NPs会降低微生物网络的复杂性，并使群落组装过程从随机转变为确定性过程。Abbott模型证实，共同暴露情景放大了这些效应，进一步减少了微生物多样性，并增强了群落组装的确定性。通过鉴定关键微生物类群（如甲基球菌科和黄杆菌科），本文为它们在碳循环和污染物降解中的功能作用提供了宝贵的见解。这项工作为水生生态系统中NPs及其共污染物的生态风险评估提供了新的见解，提供了关于它们对微生物群落结构和功能共同影响的关键数据。

引言

无论是原始的微小塑料颗粒还是由塑料降解产生的次级颗粒，都对水生生态系统和生物构成严重威胁（Ali等人，2024；Jiang等人，2025）。根据大小，这些塑料颗粒通常被分为两类：微塑料（MPs，直径<5毫米）和纳米塑料（NPs，直径<1000纳米）（Barnes等人，2009；Gigault等人，2018）。普遍认为，与MPs相比，NPs不仅在环境中分布更广，而且具有更大的生态毒性潜力，因为它们的较小尺寸使其更容易穿透生物屏障（Bouwmeester等人，2015）。此外，NPs较大的表面积和更多的吸附位点增加了其毒理学风险（Shen等人，2019）。然而，由于在复杂环境中检测方法有限，关于NPs在水生生态系统中的定量分析及其对微生物群落潜在毒性的研究很少。另一方面，在水生生态系统中存在多种污染物的背景下，基于NPs的定量追踪来评估NPs与其他污染物的共同毒性效应至关重要。

由富营养化和气候变化驱动的有害藻类水华（HABs）频率增加，现已对水生生态系统和公共健康构成严重威胁（Huisman等人，2018）。藻类水华会显著降低水质，破坏渔业和娱乐活动，更重要的是，会释放强效毒素，通过直接接触和生物累积危及水生生物和人类（Huo等人，2021）。微囊藻毒素（MC）是最广泛分布的蓝藻毒素之一，已被发现具有严重的健康风险，如肝脏损伤、代谢紊乱、细胞凋亡和DNA损伤（Codd等人，2005；Preece等人，2017）。在MC的多种异构体中，MC-LR被认为是毒性最强的变体之一，并被国际癌症研究机构（IARC）列为可能的人类致癌物（Li等人，2017）。微塑料和纳米塑料（MNPs）可能作为MC的有效载体，改变其环境行为和生态毒性效应（Ren等人，2024）。尽管已有多项关于MPs和MC-LR在微宇宙中共同暴露毒性的研究（Xiao等人，2024；Zhang等人，2024a），但NPs和MC在水生环境中的潜在生态毒性却鲜有研究。

目前对污染物毒性的理解仍受到实验室微宇宙研究的限制，这些研究无法完全复制自然水生系统的复杂动态。中型生态系统实验作为一种半自然的封闭生态系统，提供了介于微宇宙的人为简单性和自然环境的完整复杂性之间的关键中间方法，为污染物命运和效应提供了更具生态相关性的见解（Odum，1984）。中型生态系统方法能够在受控暴露条件下，全面评估污染物在多个生物组织水平（从分子到生态系统）的直接和间接效应（Briant等人，2017）。中型生态系统实验的核心优势在于它们能够在受控且现实的条件下产生机制性、因果性和生态意义上的数据，使其成为预测生态系统如何响应人为压力的关键“中间方法”。这种方法已成为生态毒理学研究中的重要工具，为了解水生污染物在真实暴露情景下的环境命运和生态影响提供了关键见解（Islam等人，2024）。

在生态毒理学评估系统中，微生物群落作为环境压力的敏感生物指标，对污染物暴露表现出快速的结构变化（Santos等人，2022）。作为基本的生态框架，群落概念描述了通过物种在定义的分类群内的扩散而相互连接的空间上不同的局部群落（斑块）（Leibold等人，2004）。通过同时考虑局部尺度过程（如生物相互作用和环境过滤）以及区域尺度动态（包括物种扩散和扩散限制），该框架为微生物群落在模拟生态系统中对污染物的响应提供了宝贵的见解（Gonzalez等人，2020；Miller等人，2018）。MNPs通过多种方式进入淡水生态系统后，可能会扰乱水柱、沉积物和生物体内的微生物群落结构，导致严重的生态系统紊乱，包括微生物多样性降低、病原菌扩展和有益细菌减少（Li等人，2018；Seeley等人，2020）。MC也是破坏微生物群落结构和功能的稳定因素之一（Ding等人，2022；Liu等人，2023；Duan等人，2021）。先前的微宇宙研究表明，MPs和MC-LR的共同暴露对微生物的毒性具有显著的协同效应（Cao等人，2024）。这些发现突显了需要利用群落理论进行中型生态系统研究，以更好地理解MNPs-MC相互作用在淡水环境中带来的生态风险。

分析方法的最新进展，特别是新型元素追踪技术，使得通过生态系统各部分追踪纳米塑料（NPs）成为可能。采用掺铕聚苯乙烯（PS-Eu）NPs与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测相结合的方法，可以实现亚ppb级别的超灵敏量化，克服了传统聚合物检测的局限性（Luo等人，2022）。本研究定量研究了含有/不含MC-LR的PS-Eu NPs在淡水中型生态系统中的吸收和迁移情况，重点关注其中微生物群落的改变动态。这些发现有望为水生生态系统中NPs和MC-LR的生态风险评估提供新的见解，提供关于它们对微生物群落结构和功能共同影响的关键数据。

材料

所使用的球形PS-Eu购自中国上海 Huge Biotechnology Company。PS-Eu是通过结合膨胀-扩散技术将Eu元素掺入PS NPs中合成的（Luo等人，2022），其标称尺寸为100纳米。使用Zetasizer（Malvern，ZEN3690，英国）测定了PS-Eu在纯水和中型生态系统水中的平均流体动力学直径和ζ电位。为了量化NPs中的Eu含量，准备了10,000 mg/L的NPs溶液。

中型生态系统中的NPs分布和迁移

根据连续稀释的PS-Eu储备悬浮液中的Eu浓度，建立了一条将Eu含量与计算出的PS-Eu质量相关的线性校准曲线（附录A 图S4）。确定PS-Eu中的Eu重量百分比为1.4 wt.%，从而能够量化未知样品中的NPs浓度。值得注意的是，对照组和MC-LR处理组样品中的Eu水平与背景值没有差异。

初次暴露后

讨论

关于MNPs的湖泊中型生态系统研究显示，排放的MNPs在水柱中的保留率仅为约1%（Rochman等人，2024），而沉积在底栖生物膜中的质量超过了70%（Ockenden等人，2024）。MNPs的沉降速度取决于塑料类型，在静止的流体动力学条件下，PS MPs的完全底栖沉积通常需要1到2周时间（Rochman等人，2024）。在这种条件下，MNPs在水中的停留时间较长

结论

本研究确定了淡水中型生态系统中NPs的分布动态，并评估了中期和长期NPs和/或MC-LR暴露对微生物群落的影响。结果表明，沉积物是NPs的主要沉降场所，而MC-LR减缓了NPs在水柱中的沉降，可能延长了它们在水柱中的生物可利用性和生态影响。值得注意的是，对不同处理组中微生物多样性的分析表明

未引用的参考文献

Liu等人，2024b；Liu等人，2024a

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可在在线版本xxxxxx中找到。

CRediT作者贡献声明

张朝阳：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。鲍飞帆：撰写——原始草稿、研究、数据管理。张敏：资源提供。林道辉：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号42192573、42307533）、浙江省重点研发计划（编号2024C03228）和中央高校基本科研业务费（编号226-2025-00004）的支持。