长期接触环境中的真实微塑料对大型溞（Daphnia magna）的影响：颗粒大小和形态的重要性及其对风险评估的启示

《Science of The Total Environment》：Effects of chronic exposure to environmentally realistic microplastics on Daphnia magna: importance of particle size and morphology and implications for risk assessments

微塑料对大型溞的慢性毒性研究显示，尼龙、凯夫拉纤维和塑料杯碎片在21天暴露下未显著降低生存率，但高浓度尼龙纤维（2.5-25 mg/L）导致繁殖力下降，干重降低。摄入量随浓度对数增长，呈现形态和粒径选择性，与水体中微塑料浓度正相关，而生物积累与体尺寸负相关。该研究为微塑料生态风险评估提供了重要数据。

　　

Safeerul Islam Hashmi|Andrew Barrick|James Stoeckel|Dengjun Wang|Bernardo Chaves-Cordoba|Nhung H.A. Nguyen|Alena Sevcu|Jana Novotna|Tham C. Hoang

美国阿拉巴马州奥本大学渔业、水产养殖与水生科学学院

摘要

大多数关于实验室中微塑料（MPs）的生态毒性研究使用的是初级微塑料，例如塑料微珠。本研究旨在确定三种具有环境代表性的微塑料——尼龙和凯夫拉尔微纤维以及聚苯乙烯杯碎片对大型溞（Daphnia magna）的影响。这些生物在五种测试浓度（0.0064、0.064、0.25、2.5和25毫克/升）下暴露于每种微塑料类型21天，以研究微塑料的吸收情况以及对存活率、生长和繁殖的影响。大型溞摄入了所有类型的微塑料，且摄入浓度随暴露浓度的增加而呈对数增长。微塑料并未显著影响存活率。然而，在高浓度的尼龙微纤维（2.5和25毫克/升）下，繁殖能力显著降低。当大型溞暴露于0.064、2.5和25毫克/升的尼龙微纤维时，其干重也显著低于对照组。摄入的微塑料与水中的微塑料浓度之间存在强正相关。在杯状微塑料实验中，体大小与摄入的微塑料及水中的微塑料之间存在显著负相关。颗粒大小分布分析表明大型溞具有选择性摄入颗粒的能力。微塑料对大型溞的影响似乎受到颗粒大小和表面形态的影响。本研究的结果有助于微塑料的生态风险评估。需要更多跨物种的研究来进一步了解微塑料类型及其吸收与生物效应之间的关系，这对于微塑料污染的生态风险评估和管理至关重要。

引言

自20世纪50年代以来，塑料产量急剧增加，至今全球已生产了数百万吨塑料。据估计，到2030年，每年排放到水生生态系统中的塑料量将达到5300万吨（Borrelle等人，2020年）。微塑料（MPs；尺寸≤5毫米的塑料）占塑料排放量的很大一部分。先前的研究发现，微塑料对水生生物有多种影响，其中亚致死效应比致死效应更为常见（Aguirre-Martínez等人，2023年；Magester等人，2021年；Zolotova等人，2022年）。这些影响包括行为、形态、生活史以及分子和细胞层面的生物和物理过程（Barboza等人，2018年；Barrick等人，2025年；De Felice等人，2019年；Guilhermino等人，2018年；Magni等人，2019年；Murphy和Quinn，2018年；Rehse等人，2016年；Yu等人，2018年）。

许多生态毒理学研究集中在短期暴露于微塑料上（Aguirre-Martínez等人，2023年；Guzman等人，2020年；Trinh等人，2024年；Zhang等人，2023年），使用的是由制造商为工业应用目的生产的初级微塑料，如塑料微珠（Aljaibachi和Callaghan，2018年；Hoang和Felix-Kim，2020年；Rehse等人，2016年）。关于长期暴露于塑料微珠对大型溞影响的研究较少（Aguirre-Martínez等人，2023年；Canniff和Hoang，2018年；D'Avignon等人，2023年；Wang等人，2022年）。然而，在自然环境中，主要的微塑料是大型塑料制品的碎片，称为次级微塑料。因此，环境中的微塑料在形状和大小上更加多样化，不如初级微塑料均匀（Hashmi等人，2025年；Kefer等人，2022年；Matavos-Aramyan，2024年）。据报道，微纤维（长度≤5毫米的纤维）是自然生态系统中的主要微塑料来源，来源于纺织纤维材料的生产、使用和废弃（Henry等人，2019年；Periyasamy和Tehrani-Bagha，2022年）。污水处理厂的排放物和地表径流被认为是微纤维的重要来源（Sadia等人，2022年；Yaseen等人，2022年）。

自然环境中的生物接触次级微塑料的时间比初级微塑料更长。环境微塑料的非均匀形态会影响其摄入和排泄，从而导致与形状均匀、表面光滑的初级微塑料不同的吸收和效应。例如，Canniff和Hoang（2018年）发现大型溞大量摄入了塑料微珠，但对存活率和繁殖没有影响。相反，Barrick等人（2024年）发现，当大型溞暴露于与Canniff和Hoang（2018年）使用的塑料微珠大小相同（纤维长度与微珠直径相似）和浓度的尼龙微纤维时，其存活率受到了影响。使用与环境相关的暴露时间（即长期而非急性）和环境现实的微塑料（即次级而非初级）进行的生态毒理学研究可能有助于我们更好地理解微塑料在自然生态系统中的影响。

大型溞是一种枝角类动物，作为毒理学研究的模式生物，在初级生产者和更高营养级之间起着重要作用（Miner等人，2012年）。这种生物偏好的栖息地包括易受人为干扰（包括化学污染和微塑料污染）的浅水生态系统（Guilhermino等人，2018年）。它们的生命周期较短，大约为1.5个月，可以在7天内成熟并产下后代。这些生物学特性使它们成为研究污染物对生长和繁殖影响的理想模式生物。大型溞
可以摄入多种微塑料（Aljaibachi和Callaghan，2018年；Colomer等人，2019年；Frydkj?r等人，2017年），包括微纤维（Barrick等人，2025年；Jemec等人，2016年；Kim等人，2021年）、微珠和碎片化的微塑料（Canniff和Hoang，2018年；Barrick等人，2024年；Funke等人，2024年；Schrank等人，2019年；Schür等人，2023年）。微塑料可以被排出体外，但排泄取决于颗粒的形状和形态。不完全排泄可能导致微塑料在生物体内积累，从而对大型溞产生毒性作用（Na等人，2021年）。根据Barrick等人（2024年、2025年）的研究，在48小时的暴露期间，大型溞对次级微塑料的摄入和排泄取决于塑料类型。由一次性塑料杯制成的微塑料的摄入率为15.35个颗粒/小时，而由一次性塑料叉制成的微塑料的摄入率为0.95个颗粒/小时。杯状微塑料的消除率为1.77个颗粒/小时，叉状微塑料的消除率为0.27个颗粒/小时。

为了更好地了解微塑料对水生物种的环境影响，研究应使用与环境相关的微塑料和环境相关的浓度以及长期暴露。由于微塑料在自然环境中具有持久性，长期暴露研究的结果对于生态风险评估和支持塑料污染管理决策和政策制定更为重要。本研究旨在探讨三种微塑料类型——尼龙和凯夫拉尔微纤维以及聚苯乙烯杯碎片对大型溞的长期影响。选择尼龙和聚苯乙烯是因为它们在环境中的普遍存在（Hashmi等人，2025年）。尼龙和凯夫拉尔属于聚酰胺家族，结构上的差异使得凯夫拉尔比尼龙更具弹性和硬度（Chatzi和Koenig，1987年）。虽然已经研究了这些聚合物（纤维和非纤维）的急性毒性，但关于这些微纤维的慢性毒性的信息尚不清楚。本研究的具体目标是：（i）确定微塑料的吸收和选择性摄入；（ii）评估对存活率、生长（体大小/重量）和繁殖的影响；（iii）确定暴露浓度、微塑料吸收量与大型溞生物指标之间的关系。

微塑料的制备与表征

微纤维（尼龙和凯夫拉尔）由Goonvean Fibers Ltd.提供。尼龙是一种由合成聚合物（聚酰胺6.6）制成的纤维的商标名称，该聚合物最早由杜邦公司在20世纪30年代开发。尼龙纤维是通过己二酸和六亚甲基二胺的聚合反应制成的。其化学组成与羊毛相似（主链中的酰胺键）。凯夫拉尔是杜邦公司在1965年开发的一种对位芳酰胺纤维的商标，是最重要的

存活率

在尼龙微纤维、凯夫拉尔微纤维和杯状微塑料实验中，大型溞的存活率保持在88%到100%之间。所有三种微塑料类型对存活率均无统计学上的显著影响（图1）。

大型溞的繁殖

计算了所有三个实验中每个个体产生的后代数量（图2）。在尼龙微纤维实验中，平均每个大型溞产生了154±10个后代；在T₁实验中产生了142±17个后代，在T₂实验中产生了137±4个后代，在T₃实验中产生了144±7个后代，在T₄实验中产生了138±5个后代，在T₅实验中产生了142±6个后代

微塑料的摄入与大小选择——对生物可利用性和风险评估的重要性

本研究发现，大型溞对水中微塑料的摄入量随微塑料浓度的增加而呈对数增长。即使浓度增加到25毫克/升，摄入率也没有达到饱和（即不再增加）。摄入率与微塑料类型有关，微塑料摄入量与暴露浓度之间的关系斜率依次为尼龙微纤维 > 凯夫拉尔微纤维 > 杯状微塑料。颗粒大小也遵循相同的模式，其中90%的尼龙微纤维

结论与建议

本研究使用长期暴露方法评估了三种不同微塑料（尼龙和凯夫拉尔微纤维、杯状微塑料）对大型溞的影响。结果显示，在所有实验中，这些微塑料对生物的存活率均无显著影响。大型溞摄入了微塑料，且摄入量遵循对数模型。在三种微塑料类型中，杯状微塑料的摄入量最高，凯夫拉尔微纤维的摄入量最低。大型溞的繁殖受到尼龙微纤维的影响，但

作者贡献声明

Safeerul Islam Hashmi：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、概念化。Andrew Barrick：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。James Stoeckel：撰写——审阅与编辑、监督。Dengjun Wang：撰写——审阅与编辑、监督。Bernardo Chaves-Cordoba：撰写——审阅与编辑、数据分析。Nhung H.A. Nguyen：撰写——审阅与编辑、资源提供。Alena Sevcu：撰写——审阅与编辑、资源提供。Jana

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。尼龙和凯夫拉尔微纤维由Tham Hoang和Alena Sevcu合作的微塑料研究项目提供。

致谢

我们感谢Celia Slaughter和Caroline Kealler的帮助。我们还要感谢Joseph Tomasso在研究中的建议。本研究部分得到了阿拉巴马农业实验站和捷克共和国教育、青年与体育部通过INTER-EXCELLENCE计划（项目编号LUAUS23054）的支持。