《Toxics》：Phytotoxic Mechanisms of Polystyrene Microplastics in Myriophyllum spicatum Under Saline Conditions: Insights from Physiology, Transcriptomics, and Phyllosphere Microbiota
Junyu Xuan,
Jinquan Wan,
Lanhui Wen,
Yan Wang and
Ji Shiming
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微塑料（MPs）是广泛存在于水生环境中的新兴污染物，然而在盐度条件下，其对沉水植物及相关微生物群落的有毒效应尚不清楚。在本研究中，研究人员将穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum）暴露于0.5%盐度下的聚苯乙烯（PS）微塑料（0、10、30、6
微塑料（MPs）是广泛存在于水生环境中的新兴污染物，然而在盐度条件下，其对沉水植物及相关微生物群落的有毒效应尚不清楚。在本研究中，研究人员将穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum）暴露于0.5%盐度下的聚苯乙烯（PS）微塑料（0、10、30、60和100 mg·L?1）中。研究人员调查了植株生长、生理响应、氮磷去除、转录组变化及叶际微生物群落。结果显示了浓度依赖性响应，表现为低剂量刺激和高剂量抑制。在30 mg·L?1时，PS促进了生长，维持了膜完整性和光合色素水平，并增强了营养盐去除能力。相比之下，100 mg·L?1的PS导致了膜损伤、光合抑制、氧化应激并降低了营养盐吸收，表明存在明显的毒性效应。转录组分析显示，高浓度PS显著影响了与光合作用、抗氧化防御、能量代谢和营养盐运输相关的基因。微塑料促进了叶片表面的生物膜形成，但未显著改变整体微生物群落结构或多样性，而是改变了与植物氧化响应和营养盐去除相关的功能分类群。这些发现表明，PS微塑料通过破坏生理过程对盐度条件下的植物产生植物毒性效应，并与功能微生物类群的变化有关，这对水生生态系统健康具有潜在影响。
研究人员针对微塑料（MPs）在盐度条件下对沉水植物及其相关微生物群落的影响机制不明这一科学问题，以穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum）为研究对象，结合生理学、转录组学和微生物组学技术，揭示了聚苯乙烯（PS）微塑料在盐度背景下对植物的浓度依赖性效应及其分子与微生物学基础。该研究发表在《Toxics》期刊。
关键技术方法包括：采集中国富营养化河流水样模拟河口富营养环境，设置0.5%盐度背景下的5个PS浓度梯度（0、10、30、60、100 mg·L?1）进行为期28天的暴露实验。采用光学显微镜观察细胞形态，利用扫描电子显微镜（SEM）观察叶表生物膜结构。通过测定电解质渗漏率（EL）、丙二醛（MDA）含量、活性氧（ROS）水平及抗氧化酶（SOD、CAT、POD等）活性评估氧化应激状态。利用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA高通量测序分析叶际微生物群落，并进行转录组测序（RNA-seq）挖掘差异表达基因（DEGs）及其富集通路。
研究结果如下：
- 1.
微塑料对植物生长的影响
研究发现穗状狐尾藻对PS微塑料表现出浓度依赖性响应。30 mg·L?1（SP30）处理下，植株株高显著增加21.27%，表现出生长刺激效应；而100 mg·L?1（SP100）处理下株高显著降低11.93%，表现出生长抑制。这表明低盐度下微塑料可能诱导适应性生理反应，而高盐度则破坏细胞稳态。
- 2.
微塑料对细胞膜完整性和光合色素的影响
SP30组的电解质渗漏率显著低于对照组，而SP100组显著高于对照组，表明高浓度破坏了膜稳定性。光合色素含量呈先升后降趋势，SP100组总叶绿素和叶绿素b含量显著降低，叶绿素a/b比值下降，且可溶性糖含量大幅降低。显微观察显示SP100组叶片细胞变形、叶绿体紊乱，证实了高浓度的光合损伤。
- 3.
膜和光合损伤诱导的氧化应激
随着PS浓度增加，ROS水平逐渐累积，SP100组MDA含量显著升高，伴随SOD、CAT、POD活性及GSH含量、GST活性的显著增强。这表明高浓度微塑料引发了显著的氧化应激，而低浓度下ROS可能作为信号因子而非造成损伤。
- 4.
累积生理胁迫下氮磷吸收的变化
动态监测显示，SP30组对铵态氮（NH4+-N）和总磷（TP）的去除效率最高，分别达60.52%和61.20%；而SP100组去除效率最低，仅为35.87%和38.10%。这归因于高浓度胁迫下能量分配向抗氧化防御倾斜及膜运输功能受损。
- 5.
微塑料胁迫对转录组的影响
转录组分析显示，与对照相比，高浓度（SPH）组诱导了更多的差异表达基因（DEGs），涉及光合作用、氧化应激、能量代谢及氮磷代谢。GO和KEGG富集分析表明，低浓度（SPL）主要富集于DNA修复和碳代谢，而高浓度（SPH）显著富集于光合作用-天线蛋白、氧化磷酸化和氮代谢通路，揭示了分子层面的代谢重编程。
- 6.
叶际微生物群落的响应
扫描电镜观察显示微塑料促进了叶表生物膜的形成。16S rRNA测序显示，尽管α多样性和整体群落结构未发生显著改变，但特定分类群的相对丰度发生变化：假单胞菌门（Pseudomonadota）和慢生根瘤菌科（Rhizobiaceae）等在SP30组丰度较高，而与营养盐去除效率正相关的Fuscovulum属在高浓度下减少。相关性分析表明微生物群落变化与植物生理状态紧密相关。
讨论与结论部分指出，微塑料在盐度条件下对穗状狐尾藻表现出“低促高抑”的浓度依赖性植物毒性效应。其机制在于高浓度PS通过破坏膜完整性、抑制光合作用、诱导氧化应激及干扰能量代谢和跨膜运输，导致植株生长受阻和营养盐去除能力下降。同时，微塑料通过改变植物生理状态间接影响了叶际微生物的功能类群组成，而非整体群落结构。该研究强调了在多环境胁迫因子共存背景下评估微塑料生态风险的重要性。
