聚乙烯微塑料对中华阿玛蝽和球孢白僵菌防治美国白蛾功效的影响

《Journal of Hazardous Materials》：An emerging risk to pest biocontrol: Polyethylene microplastic affects the efficacy of Arma chinensis and Beauveria bassiana against Hyphantria cunea

　　

微塑料污染已成为一个引起全球关注的重要环境问题。本研究构建了受高浓度聚乙烯（PE）微塑料污染的“土壤 - 白桦 - 美国白蛾 - 中华阿玛蝽”和“土壤 - 白桦 - 美国白蛾 - 球孢白僵菌（Bb）”营养级模型，探究了聚乙烯污染下中华阿玛蝽和球孢白僵菌对美国白蛾的防治功效。结果表明，取食经聚乙烯处理的美国白蛾幼虫后，中华阿玛蝽若虫的生长发育显著受阻，过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA）水平升高，凋亡相关基因表达上调，捕食行为和搜索能力受到抑制。幼虫体内葡萄糖、蛋白质和游离脂肪酸水平降低，以及能量代谢相关基因表达下降，表明其对中华阿玛蝽的营养价值减弱。此外，聚乙烯处理增强了球孢白僵菌对美国白蛾的致死率。聚乙烯处理导致美国白蛾幼虫表皮层状结构紊乱，表皮合成相关基因表达下调，细胞免疫和体液免疫功能受损。总之，聚乙烯微塑料作为环境污染物，分别对天敌昆虫和病原真菌的害虫防治功效产生负面和正面影响，突显了微塑料污染的生态毒理学效应。

**聚乙烯微塑料干扰生物防治效能的生态毒理机制解析**

随着人类文明的演进，制造业、交通运输及全球贸易的迅猛发展在推动经济繁荣的同时，也引发了严峻的环境污染挑战。重金属、微塑料、二氧化硫及氮氧化物等污染物大量进入环境，其中微塑料作为一种新型环境污染物，已渗透至全球各个角落。尽管现有研究多集中于海洋生态系统，但陆地生态系统作为微塑料的初始受体，其受到的污染压力更为广泛和集中。微塑料通过改变土壤理化性质，间接影响植物根系的生长发育及生理健康，进而依据诱导防御假说和权衡假说，改变植物的营养代谢与防御特性。这种宿主植物质量的改变会进一步波及植食性昆虫的生长、能量代谢及免疫防御系统，最终可能扰乱捕食者 - 猎物关系，重塑生态群落结构。生物防治作为可持续害虫管理的核心策略，利用天敌昆虫和昆虫病原微生物控制害虫，具有高度特异性、生态可持续性及经济可行性等优势。然而，生物防治的效果易受生物和非生物环境因素的干扰。目前，关于微塑料对苏云金芽孢杆菌以外其他生物防治因子（如天敌昆虫和病原真菌）影响的认知仍存在空白。鉴于聚乙烯（PE）是日常生活中最常见且广泛使用的塑料，其降解产生的微塑料已成为土壤生态系统中主要的微塑料污染物来源，而美国白蛾（Hyphantria cunea）作为全球性检疫害虫，常在微塑料污染严重的区域爆发，因此开展此项研究对于阐明微塑料胁迫下生物防治效能的变化机制具有重要的理论与现实意义。该研究成果已发表于环境科学与毒理学领域的权威期刊《Journal of Hazardous Materials》。

为深入探究上述科学问题，研究人员构建了包含“土壤 - 白桦（Betula platyphylla）- 美国白蛾 - 中华阿玛蝽（Arma chinensis）”和“土壤 - 白桦 - 美国白蛾 - 球孢白僵菌（Beauveria bassiana, Bb）”的两个生态相互作用模型。研究选用了两年生的白桦幼苗作为宿主植物，使用密度约为 0.91-0.92 g/cm3的白色粉末状聚乙烯微塑料进行高浓度土壤污染处理。通过模拟真实的食物链传递过程，研究人员系统评估了微塑料胁迫对美国白蛾宿主质量、天敌昆虫中华阿玛蝽的捕食效能与生理状态、以及病原真菌球孢白僵菌杀虫活性的影响。研究采用了行为学观测、生理生化指标检测（如氧化应激指标 H₂O₂、MDA 及营养指标葡萄糖、蛋白质等）、基因表达分析（qPCR 技术检测凋亡、能量代谢、表皮合成及免疫相关基因）以及组织形态学观察等多种关键技术方法，旨在从个体表型、生理生化到分子机制多个层面揭示微塑料干扰生物防治的内在机理。

**研究结果分析**

**中华阿玛蝽若虫的捕食适宜性**
Y 型管选择实验结果显示，中华阿玛蝽若虫对经聚乙烯处理的美国白蛾幼虫的选择率显著低于未处理组（P<0.05）。在取食经聚乙烯处理组的美国白蛾幼虫后，中华阿玛蝽 5 龄若虫的体重虽无显著变化，但在 5 龄后 72 小时的体重显著受到抑制，降幅达 24.34%（P<0.01）。这表明微塑料污染降低了猎物对天敌的营养价值，阻碍了天敌的正常生长发育。

**讨论与结论**
基于自然敌昆虫的生物防治方法是当前植食性害虫可持续控制策略的核心组成部分，但其控害效率极易受到生物和非生物因素的干扰。本研究证实，重金属镉（Cd）胁迫会削弱小花蝽对西花蓟马的捕食效率，而在本研究的聚乙烯微塑料污染生态模型中，微塑料同样表现出显著的负面效应。在“土壤 - 白桦 - 美国白蛾 - 中华阿玛蝽”食物链模型中，微塑料 PE 显著抑制了中华阿玛蝽的生长发育及其对美国白蛾幼虫的捕食能力。猎物美国白蛾幼虫营养质量的下降以及中华阿玛蝽若虫体内氧化损伤的加剧，是导致若虫生长受阻和捕食能力减弱的主要因素。具体表现为若虫体内 H₂O₂和 MDA 水平升高，凋亡相关基因表达上调，同时捕食行为和搜索能力受到抑制；而猎物体内葡萄糖、蛋白质和游离脂肪酸水平的降低，以及能量代谢相关基因表达的下调，进一步证实了其营养价值的丧失。

相反，在“土壤 - 白桦 - 美国白蛾 - 球孢白僵菌”生态模型中，聚乙烯处理却增强了球孢白僵菌对美国白蛾的致死率。机制研究表明，聚乙烯处理导致美国白蛾幼虫表皮层状结构紊乱，表皮合成相关基因表达下调，并损害了其细胞免疫和体液免疫功能。这种宿主防御机能的削弱，使得病原真菌更容易侵入并杀灭害虫。

综上所述，聚乙烯微塑料作为一种广泛分布的环境污染物，对植食性害虫的生物防治具有双重生态毒理效应：一方面，它通过降低猎物质量和诱导天敌氧化应激，负向削弱了天敌昆虫的控害功效；另一方面，它通过破坏害虫体表屏障和免疫系统，正向增强了病原真菌的杀虫活性。这一发现明确了微塑料是影响植食性害虫生物防治效率的关键非生物因子，修正了以往仅关注其对陆地生物直接毒害作用的观点，为制定针对微塑料污染环境的可持续害虫综合治理策略提供了重要的理论依据。