湿地植物在接触聚丙烯微塑料时，营养成分代谢重塑的物种特异性机制及其与微生物的相互作用

《Journal of Cleaner Production》：Species-specific mechanisms of nutrient metabolic reprogramming and microbial interactions in wetland plants exposed to polypropylene microplastics

　　

赵一琳|谢祖明|谢贤军|胡宝明|陶婷|刘文宇|李迎凯

中国地质大学环境学院长江流域环境水科学湖北省重点实验室，武汉，430074，中华人民共和国

摘要

聚丙烯微塑料（PP-MPs）在湿地中的检出率日益增加，它们可能会干扰养分循环和植物-微生物相互作用。在这项研究中，我们评估了PP-MPs对种植有Acorus calamus和Iris tectorum的湿地中氮和磷动态的影响。我们使用了生理生化测定、代谢组学和微生物测序相结合的方法，测试了两种PP-MP浓度（10和200 mg L^?1），以追踪水柱中的氮和磷、植物的代谢反应以及微生物群落的变化。PP-MPs显著阻碍了水中的总氮（TN）和总磷（TP）的去除，其中200 mg L^?1浓度处理使TN去除率降低了9-14%。PP-MPs附着在植物根部，干扰了养分吸收，并对抗氧化酶产生了浓度依赖性效应：低剂量时略有激活，高剂量时则表现出显著抑制作用。关键氮和磷代谢酶（谷氨酰胺合成酶、硝酸还原酶和酸性磷酸酶）的活性受到抑制，导致游离氨基酸和可溶性蛋白质水平下降，I. tectorum中的精氨酸减少了19.4%。代谢组学结果表明A. calamus激活了氮代谢和基于硫的解毒机制，而I. tectorum增强了光合作用中的磷吸收和支链氨基酸循环。PP-MPs还降低了I. tectorum组的α多样性，并富集了形成生物膜和致病细菌，如未分类的Sphingobium和Cupriavidus。这些结果揭示了PP-MPs通过多种途径破坏湿地养分循环和植物-微生物相互作用的方式，为生态风险评估和湿地恢复提供了理论依据。

引言

微塑料（MPs）已成为水生生态系统中普遍存在的持久性污染物，其存在已被广泛认为是生态危害（Liu等人，2025年）。聚丙烯（PP）由于其高加工性和机械稳定性而成为产量最大的聚合物，在自然条件下会发生光氧化、热降解和生物侵蚀，逐渐形成聚丙烯微塑料（PP-MPs）（Lebreton等人，2019年）。这些PP-MPs在湿地、湖泊和河流中无处不在，在水柱、沉积物和生物体中积累（Guo等人，2024年；Luo等人，2024年）。特别值得关注的是较大微塑料颗粒能够物理附着在植物根部，这可能损害根部完整性，抑制植物生长，并干扰水分和养分的吸收（Hua等人，2024年；Cui等人，2023年）。此外，微塑料常常从周围水中吸附养分和其他污染物，改变微生物群落的组成，并触发复杂的生态连锁反应，威胁养分循环和整个生态系统的稳定性（Li和Liu，2022年；Li等人，2025a）。这些发现表明，水生环境中的微塑料污染不仅是一个物理污染问题，还是一个对生态系统功能具有深远影响的生物和化学压力源。

挺水植物拥有先进的根系，能够通过根毛直接吸收溶解态氮（例如NH₄⁺和NO₃^?）和磷（主要以PO₄^3?形式），随后通过跨膜转运蛋白促进这些养分的细胞内运输，从而显著贡献于水生生态系统中的养分平衡（Zheng等人，2024年）。Acorus calamus和Iris tectorum是著名的挺水植物，以其高养分吸收能力和环境适应性而广受关注，因此被广泛应用于生态废水处理和湿地恢复。然而，微塑料在湿地系统中的存在可能会影响这些植物的生长和养分代谢（Yin等人，2019年；Minuti等人，2022年）。实验室和生态系统研究表明，微塑料暴露会阻塞植物的养分吸收途径，诱导氧化应激，并干扰参与氮和磷代谢的关键酶的活性。例如，Zheng等人观察到附着在根表面的微塑料引发了抗氧化反应，并干扰了控制氮和磷吸收的酶，导致植物代谢途径（如光合作用和氨基酸合成）发生变化。类似地，对作物和模式水生植物的实验也记录了在微塑料压力下的显著生理和生化扰动（Lian等人，2022年；Milolo?a等人，2025年；Zheng等人，2025年）。尽管如此，关于这两种植物对PP-MPs的具体反应，尤其是在代谢途径和生理调节机制方面的变化，仍缺乏全面的研究。

微生物群落是水生环境中养分循环的重要组成部分，驱动着硝化、反硝化和磷矿化等过程（Wu等人，2025年）。微塑料的引入可以直接和间接地干扰这些微生物过程。微塑料为微生物提供了新的栖息表面，形成了所谓的“塑料圈”——一种独特的塑料碎片上的生物膜群落（Zhang等人，2025年）。在淡水系统中的长期研究发现，微塑料可以积累专门的微生物群落，包括形成生物膜的细菌和机会性病原体，尤其是当塑料颗粒老化并形成保护层时。例如，Tav?ano?lu等人报告称，水生栖息地中的持续存在的微塑料成为特定功能微生物的热点，包括潜在的人类或植物病原体，从而带来新的生态风险（Tav?ano?lu等人，2025年）。这样的变化可能对植物健康产生连锁效应，因为有益的植物-微生物相互作用（如养分获取或抗逆性）可能会被破坏。除了塑料圈本身，微塑料还可能改变周围（浮游或根际）微生物群落的组成和功能。通过吸附养分和污染物，微塑料可以改变局部环境条件和选择压力，进而改变微生物群落的结构和活性。

目前的研究主要关注微塑料（MPs）对植物或微生物的单独影响，经常忽视了养分循环过程的全面考察以及植物和微生物在微塑料压力下的协同效应所带来的生态问题。PP-MPs如何影响植物代谢（如氨基酸和能量代谢）和微生物群落结构，以及它们如何调节水生系统中的氮和磷动态，这些过程仍然不明确。阐明这些途径对于预测微污染物污染对湿地生态系统的稳定性和改进淡水生态系统的综合恢复技术至关重要。

本研究使用A. calamus和I. tectorum作为生物样本，研究不同浓度的PP-MPs对湿地中氮和磷循环的影响以及相关的生态危害。本研究通过整合生理和生化分析、代谢组学和微生物群落测序，旨在（i）量化水中的TN/TP动态变化，（ii）识别关键N/P代谢指标和途径的物种特异性变化，以及（iii）表征微生物群落和潜在病原体在PP-MPs压力下的反应。

节片

试验植物的培养和微塑料溶液的制备

聚丙烯微塑料（PP-MPs，纯度>98%，平均粒径150 μm）由中国东莞章木头华创塑料原材料贸易公司提供。荧光PP-MPs按照Nile Red（NR）染色方法制备，并稀释至最终浓度10 mg L^?1和200 mg L^?1。选择这两种浓度代表水培系统中常用的低剂量和高剂量，与暴露设置一致

水体中氮和磷的时空变化

水体监测数据显示，水体中总氮（TN）和总磷（TP）的含量一直在下降（图1）。在PP-MPs的影响下，水生环境中TN和TP的下降速率显著受到抑制（p < 0.05）。在32天实验结束后，CCK、C10和C200处理组的总氮（TN）去除率分别为95.7%、86.1%和81.8%（图1a），而YCK

微塑料对水体中氮和磷去除的影响

监测TN、TP和关键理化指标有助于评估PP-MPs对水体养分去除的影响（Zhang等人，2024年）。在我们的系统中，PP-MPs抑制了TN/TP的减少，可能是通过减少植物养分吸收和改变水的氧化还原环境实现的。例如，PP-MPs可以附着在根表面并干扰植物生理过程，而早期的低DO和ORP可能削弱有氧氮转化（Cao等人，2024年）。

此外，附着在植物上的PP-MPs

结论

本研究系统地研究了PP-MPs对湿地中氮和磷循环以及植物-微生物系统的影响。结果表明，PP-MPs通过抑制植物吸收和改变微生物群落结构，显著降低了水体中总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率，且抑制效果随着PP-MPs浓度的增加而增强。此外，植物对PP-MPs的反应表现出物种特异性。I. tectorum

CRediT作者贡献声明

赵一琳：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。谢祖明：撰写——审阅与编辑、方法论。谢贤军：撰写——审阅与编辑、方法论。胡宝明：正式分析、概念化。陶婷：调查、正式分析。刘文宇：正式分析。李迎凯：调查、数据管理。

环境影响

本研究强调了聚丙烯微塑料（PP-MPs）对湿地生态系统造成的重大生态风险。PP-MPs抑制了氮（N）和磷（P）的去除，扰乱了必要的养分循环，威胁了水净化功能。Acorus calamus和Iris tectorum的物种特异性反应显示了应对微塑料压力的不同代谢策略，I. tectorum保持了稳定的养分吸收能力，而A. calamus则表现出受损

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（资助编号41572230和41172219）、国家自然科学基金的创新研究群体资助（41521001），以及中央高校基本科研业务费、中国地质大学（122- G1323522145）的支持。