纳米聚苯乙烯影响河流褐绿食物链中的能量流动动态：来自一种河蜗牛摄食偏好变化的证据

《Journal of Hazardous Materials》：Nano-polystyrene influences energy flow dynamics in stream brown-green food chains: Evidence from feeding preference shifts of a river snail

　　

杜静静|周迅|方子涵|杨轩|陶天莹|易一军|陈佩杰|赵建国

中国郑州轻工业学院材料与化学工程学院

摘要

纳米塑料对水生食物网构成了严重威胁，但它们对褐色-绿色食物链能量流动动态的影响仍不清楚。本研究通过为期21天的微宇宙实验，探讨了纳米聚苯乙烯（nano-PS；浓度为0、1、10和100 μg·L^-1）如何影响树叶凋落物（Populus nigra）和底栖藻类（Spirogyra sp.）的营养价值，并进一步影响河蜗牛（Cipangopaludina cathayensis）的摄食偏好。结果表明，nano-PS导致了基础资源浓度和时间依赖性的变化。值得注意的是，暴露于10 μg·L^-1的nano-PS在第七天暂时提高了树叶凋落物的质量，因为这增强了细胞外酶的活性。然而，暴露于100 μg·L^-1的nano-PS导致营养价值显著下降，同时真菌生物量增加了53.59%。底栖藻类在nano-PS压力下表现出急性补偿反应，但其生物量和营养价值都长期下降。此外，nano-PS还引起了C. cathayensis的氧化应激，导致其抗氧化防御和觅食行为之间的能量分配产生权衡。因此，河蜗牛在第七天将摄食偏好从藻类转向树叶凋落物，但在第二十一天又恢复了原来的偏好。主成分分析证实，可用资源的质量和河蜗牛的生理状态共同影响了这些偏好的变化。研究结果表明，纳米塑料通过改变资源特性和分解者的行为，扰乱了褐色-绿色食物链中的能量流动，为揭示纳米塑料对溪流生态系统的生态风险提供了重要见解。

引言

褐色-绿色食物网是一个由碎屑分解（褐色）和藻类初级生产（绿色）耦合而成的网络，是溪流生态系统的能量基础[1]。绿色食物链代表了一种本土能量途径，其中底栖藻类通过光合作用将溶解的无机碳转化为颗粒有机物[2]。藻类生物量随后通过分解者的直接消耗支持更高营养级的生物，从而构成了水生食物网的基础[3]。另一方面，褐色食物链是一种外来能量途径，依赖于陆源树叶凋落物的输入，这些凋落物经过微生物处理后由分解者进一步分解[4]。这种分解级联将难以分解的植物物质转化为可生物利用的营养物质和微生物生物量。这两种途径共同调节碳和营养物质的循环[1]。它们之间的相互作用以及对环境压力的不同反应共同影响着关键生态系统过程[5]。

分解者在能量传递中起着关键作用，它们将外来树叶凋落物输入和本土藻类生物量与更高营养级联系起来[6]。在这些分解者中，河蜗牛（例如Cipangopaludina cathayensis）在溪流生态系统中尤为重要。它们以底栖藻类生物膜为食进行生长和繁殖，同时也通过破碎和消化作用处理树叶凋落物[7]。河蜗牛的摄食偏好影响着藻类摄入和凋落物消耗之间的平衡，直接调节褐色和绿色食物链之间的能量分配。最终，这种平衡决定了溪流生态系统的生产力、生物多样性和恢复力[8]。

塑料因其多功能特性而在现代社会中至关重要，被广泛应用于包装、电子、医疗等领域，全球年消耗量超过4.5亿吨[9]。然而，令人担忧的是，高达94%的塑料通过废水排放、地表径流和大气沉降进入环境，在水生生态系统中积累[10]。与塑料污染相关的一个严重问题是纳米塑料的形成，这些微小降解产物的尺寸达到纳米级别[11]。这些新兴污染物可以渗透到微生物细胞和分解者组织中，破坏不同营养级之间的生态平衡[12]。纳米聚苯乙烯（nano-PS）在水生和陆地环境中广泛存在，已有大量相关毒理学数据记录[13]。例如，nano-PS已被证明会抑制藻类的叶绿素合成、蛋白质生产和碳水化合物积累，从而限制了初级生产力[14]。此外，nano-PS还会影响真菌生物量动态，增加凋落物中的木质素含量，最终降低碎屑质量和分解效率[15]。尽管有这些关于食物网各组成部分的影响记录，但我们对其如何影响褐色和绿色食物链之间相互作用的理解仍存在显著空白。需要进一步研究以了解分解者如何因纳米塑料污染而改变其对藻类和凋落物资源的摄食偏好。

分解者的摄食偏好并非固定不变，它们受到多种资源特性的影响，包括营养价值、可消化性和可获取性[6]。在纳米塑料暴露的情况下，这些特性可能会以看似矛盾的方式发生变化。例如，虽然藻类数量可能减少，但它们仍能保持相对较高的营养价值[16]。相反，树叶凋落物可能因微生物处理受阻而积累难以分解的化合物，失去可生物利用的营养物质[15]。目前尚不清楚分解者是否会继续偏好高质量藻类，还是会将其偏好转向树叶凋落物作为补偿资源。此外，分解者的摄食偏好还受到气候变暖、水体酸化和化学污染物等环境压力对其内部应激反应的影响[17]。这些反应可以改变感官感知，改变用于抵抗压力的能量分配，并影响摄食决策[18]。理解这些动态至关重要，因为即使分解者摄食习惯的微小变化也可能重新定向能量流动，加剧营养限制或破坏溪流生态系统中的营养级相互作用[19]。

为填补这一知识空白，设计了一个微宇宙实验来研究纳米塑料如何改变河蜗牛C. cathayensis的摄食偏好。将褐色-绿色食物网暴露于环境相关的nano-PS浓度（0、1、10和100 μg·L^-1），并在21天内测量关键参数。本研究旨在探讨微生物在生物量和分解活性方面的反应、藻类在生物量和生理状态方面的反应，以及分解者在生长速率、抗氧化活性和摄食模式方面的反应。本研究测试了两个相互关联的假设：（1）nano-PS会降低树叶凋落物的可消化性，改变其营养成分，并同时抑制底栖藻类的生物量，从而改变这两种基础资源对河蜗牛的吸引力；（2）nano-PS暴露引起的氧化应激会影响河蜗牛的摄食行为能量分配，导致摄食偏好发生变化。

小节片段

纳米塑料

本研究选择纳米聚苯乙烯（nano-PS）作为模型纳米塑料。该悬浮液来自上海阿拉丁生化技术有限公司，初始粒径范围为50至100 nm，质量体积比为2.5%。未添加任何化学稳定剂。根据供应商提供的质量检验报告，nano-PS的单体分子量为104.15 g·mol^-1，平均聚合物分子量为1.2 × 10^5 g·mol^-1，密度为1.047 g·cm^-3。

为确保

真菌生物量

真菌生物量受到nano-PS浓度（F3, 23 = 9.815, p < 0.001）和暴露时间与浓度交互作用（F3, 16 = 66.678, p < 0.001）的显著影响。然而，暴露时间本身没有显著影响（F1, 23 = 0.171, p = 0.685）。在第7天，暴露于100 μg·L^-1的nano-PS使真菌生物量增加了53.59%（图1，p < 0.05）。暴露21天后，1和10 μg·L^-1的nano-PS浓度仍促进了真菌生物量的增加

讨论

研究结果证实，nano-PS对溪流中褐色-绿色食物网的能量流动动态构成了潜在威胁（图8）。在急性暴露期间，河蜗牛更偏爱树叶。然而，在长期暴露下，其摄食偏好转向了底栖藻类（图7c）。这些摄食行为的变化受到多种因素的影响，包括基础资源的营养优势、对生理压力的适应性等

结论

本研究表明，nano-PS通过分解者摄食偏好的浓度和时间依赖性变化，扰乱了褐色-绿色食物链的耦合。最初，nano-PS改变了基础资源的营养价值和可用性，导致C. cathayensis的氧化应激，并改变了其能量分配。这最终导致了其摄食偏好的变化，作为一种营养补偿机制。因此，褐色和绿色食物链之间的能量流动动态发生了变化

CRediT作者贡献声明

赵建国：方法论。陈佩杰：研究。易一军：研究。方子涵：研究。杜静静：写作——审稿与编辑、方法论、资金获取、概念化。杨轩：研究。陶天莹：验证、软件。周迅：写作——初稿、研究、数据管理。

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会影响本文所报道的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32271701）、河南省优秀青年科学家自然科学基金（232300421103）和河南省高校科技创新人才计划（24HASTIT027）的支持。