聚苯乙烯微/纳米塑料在 lettuce-snail（生菜-蜗牛）陆地食物链中促进镉营养级传递并加剧毒性的机制研究

PS-MNPs通过改变土壤pH、有机质和阳离子交换容量显著提升镉生物有效性，导致生菜镉积累增加73.3%-61.2%，并在蜗牛中形成2.2-2.7级生物放大，引发氧化应激和肠道损伤等协同毒性效应。

郭福玉|徐波|张瑞|常燕|楚婷婷|朱萌|韩凤翔|杨瑞毅

安徽师范大学生态与环境学院，芜湖241002，中国

摘要

微塑料/纳米塑料（MNPs）和镉（Cd）在陆地生态系统中的共存威胁着食品安全，但它们的联合营养转移和毒性仍不清楚。本研究探讨了聚苯乙烯微塑料（PS-MNPs）如何影响生菜-蜗牛食物链中镉的动态。薄膜扩散梯度（DGT）技术的结果显示，PS-MNPs显著增加了土壤中的镉含量，从对照组的19.2 μg L^-1增加到HN（0.1% 100 nm PS-NPs）处理组的27.1 μg L^-1和HM（0.1% 1 μm PS-MPs）处理组的25.9 μg L^-1（p < 0.05）。这种增加归因于HN和HM处理组下pH值的降低（分别降低了0.50和0.15个单位）、有机物的增加（分别增加了5.4%和8.7%）以及阳离子交换能力的提高（分别增加了8.1%和15.5%），这些因素导致土壤对镉的吸附能力分别降低了22.8%和13.3%（p < 0.05）。因此，HN和HM处理组中生菜叶片中的镉积累量分别增加了73.3%和61.2%，同时生物可利用的镉形式也增加了10.4%–15.1%。值得注意的是，PS-MNPs促进了镉的生物放大作用，其营养转移因子分别达到了2.7（HN处理组）和2.2（HM处理组）。共聚焦成像进一步证实了PS-MNPs被生菜吸收并在蜗牛肠道中积累。此外，共同暴露还导致了蜗牛毒性的加剧，表现为更严重的氧化应激、肠道损伤、肠道屏障功能障碍以及泛酸/辅酶A生物合成和能量代谢的紊乱。本研究表明，PS-MNPs放大了镉在陆地食物链中的营养转移和毒性，强调了改进农业塑料管理的必要性。

引言

塑料污染已成为21世纪最紧迫的环境挑战之一，2023年的全球塑料产量达到了4.138亿吨（PlasticsEurope，2025）。大约79%的塑料废物被填埋或丢弃在自然环境中（Geyer等人，2017），在那里逐渐降解为微塑料（MPs，< 5 mm）和纳米塑料（NPs，< 100 nm）（Hartmann等人，2019）。MPs和NPs统称为微塑料/纳米塑料（MNPs），是广泛存在于各种环境中的污染物，包括水、空气和土壤（Ullah等人，2023）。尽管它们在陆地生态系统中的存在越来越受到关注，但它们与共污染物（如潜在有毒元素PTEs）的相互作用机制及其对食物链的后续影响仍知之甚少。这一知识空白至关重要，因为土壤中的MNPs可能与镉（Cd）共存，它们的相互作用可能会显著改变镉的移动性、生物可利用性和对生态系统健康及食品安全的最终风险（Huang等人，2024；Liu等人，2024）。镉是一种高毒性和高移动性的PTE，由于农业改良剂、工业排放和大气沉降等人为来源的共存，经常与MNPs在土壤中同时存在（Li等人，2024b）。全球范围内都记录到了MNPs-Cd的共污染现象，从中国中部的郊区土壤到德国的洪泛区以及突尼斯的农田（Chouchene等人，2022；Weber等人，2022；Zhou等人，2019），这突显了理解它们联合效应和潜在风险的迫切性。

MNPs具有独特的物理化学性质，包括较大的表面积、高疏水性和多样的功能化表面，使它们能够通过吸附-解吸过程作为PTEs的载体（Liu等人，2024）。然而，MNPs与PTEs在土壤-植物系统中的相互作用仍存在争议。一些研究表明，像聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA）这样的MNPs会增加土壤中镉的生物可利用性，但不会增加玉米的吸收（Wang等人，2020），而其他研究则表明聚苯乙烯（PS）MNPs可以减轻Brassica chinensis L.中对镉的毒性和吸收（Zhang等人，2022）。相反，也有研究发现PE-MNPs会增加生菜中镉的积累（Wang等人，2021），而PS-MNPs会促进叶类蔬菜和作物中PTEs的吸收（Xu等人，2023；Zhao等人，2023）。这些差异可能源于MNPs的特性（如聚合物类型、大小和浓度）、土壤性质以及实验条件的不同。最近的一项元分析调和了这些矛盾，得出结论认为MNPs通常会增强镉的植物毒性并促进植物吸收，从而放大镉的环境风险（Huang等人，2023）。尽管取得了这些进展，但MNPs介导的镉生物可利用性和植物吸收的机制仍不明确，特别是在土壤地球化学变化和植物生理反应的背景下。

除了土壤-植物系统外，MNPs还通过进入食物链构成另一种威胁。越来越多的证据表明，MNPs可以被陆地植物（如生菜、绿豆）吸收，并传递给初级消费者（如蜗牛、昆虫），可能对更高营养级的生物产生影响，包括人类（Liu等人，2023）。例如，NPs（28 nm）从土壤转移到绿豆，然后转移到蜗牛（Chae和An，2020），而亚微米塑料（250 nm）在生菜-昆虫-鱼的食物链中得到了生物放大（Monikh等人，2022）。据估计，人类每周通过受污染的食物摄入约0.1–5克的MNPs（Senathirajah等人，2021），这引发了人们对长期暴露于MNPs-PTEs混合物的担忧。尽管在人体组织中检测到了MNPs（Li和Liu，2024），但由于缺乏直接证据，这种共同暴露的健康影响仍不清楚。这一知识空白至关重要，因为陆地作物是人类接触MNPs和PTEs的主要途径。

鉴于MNPs可以改变像镉这样的PTEs的生物可利用性并增强其在植物中的积累（Bethanis和Golia，2024；Huang等人，2023；Liu等人，2024），一个关键问题是它们是否会进一步放大镉向更高营养级的转移，并最终加剧整个食物链中的联合毒性。新兴证据表明，MNPs的存在增强了镉从植物到初级消费者的转移，从而增加了更高营养级的暴露风险（Huang等人，2024；Wang等人，2023）。更重要的是，与单一污染物相比，MNPs和镉的共同暴露已被证明会导致更严重的毒理学后果（Jiang等人，2025）。例如，在土壤无脊椎动物（如蚯蚓）中，这种共同暴露会引发更严重的氧化应激、肠道损伤、神经毒性以及能量代谢等核心代谢途径的紊乱（Chen等人，2024a；Jiang等人，2024）。然而，大多数现有研究仍然主要是描述性的，缺乏对这种联合毒性的关键驱动因素的系统性机制洞察，特别是关于MNPs的物理化学性质（如大小和浓度）如何控制其环境行为、生物积累动态以及镉在连续营养级中的分子相互作用。此外，这种联合毒性是否以及在不同营养级之间如何传递和放大仍 largely 未知。

因此，阐明MNPs-Cd共污染在陆地食物链中引起的联合毒性机制对于准确预测其生态和健康风险至关重要。在这里，选择了PS-MNPs（100 nm和1 μm）来研究MNPs在调节生菜-蜗牛食物链中镉转移和毒性方面的机制作用。PS是陆地环境中最常检测到的聚合物之一（Ullah等人，2023），而使用100 nm和1 μm的颗粒来研究纳米塑料与微塑料的不同尺寸效应。我们假设PS-MNPs将（1）通过改变吸附-解吸动态和形态改变来增强土壤中镉的可用性，（2）通过破坏解毒机制促进生菜中镉的积累，（3）促进镉向蜗牛的营养转移，同时加剧联合毒性。通过综合地球化学、生理学和毒理学分析，我们旨在（1）追踪PS-MNPs和镉在生菜和蜗牛中的吸收和迁移，（2）量化PS-MNPs对镉积累和生物放大的影响，（3）在分子、组织和代谢层面阐明共同暴露的联合毒性。我们的发现将为理解陆地生态系统中MNPs-PTEs共污染的风险提供一个全面的框架。

部分摘录

微塑料与土壤

PS球形珠子购自天津大爱科技有限公司。通过傅里叶变换红外光谱（光谱在697和755 cm^-1处显示代表性峰）确认了PS珠子的聚合物组成。使用动态光散射法测定颗粒大小分别为1.1 ± 0.1 μm和109.1 ± 1.6 nm。相应的表征数据可以在我们之前的研究（Chu等人，2024）中找到。MNPs用尼罗蓝进行了荧光预标记

PS-MNPs通过改变土壤性质和吸附-解吸动态增强镉的可用性

PS-MNPs的引入引发了一系列土壤物理化学变化，从根本上改变了镉的动态。如图1A所示，高剂量的PS-NPs（HN）显著降低了土壤pH值0.5个单位（p < 0.05），可能是通过微生物介导的酸化和根系分泌物释放（Yu等人，2023）。同时，PS-MNPs的应用导致土壤有机质（OM）的净积累，处理组的有机质含量比对照组高4.5%–8.7%（p < 0.05）。这种差异

结论

本研究揭示了PS-MNPs通过多种机制在陆地食物链中作为镉移动性和毒性的关键放大剂。高剂量的PS-MNPs通过降低pH值和镉的吸附能力改变了土壤地球化学，从而将镉的可用性增加了多达41.6%。这些变化导致生菜叶片中镉的积累增加了73.4%，并使其形态向高生物可利用的形式转变。关键的是，PS-MNPs促进了蜗牛中镉的生物放大作用，以及营养级的转移

作者贡献声明

韩凤翔：正式分析。杨瑞毅：项目管理、资金获取、概念构思。郭福玉：撰写——原始草稿、方法论、调查。徐波：调查。张瑞：资源、方法论、调查。常燕：撰写——审稿与编辑、正式分析。楚婷婷：正式分析。朱萌：可视化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（41771355, 42577470）、安徽省高等学校自然科学重点研究项目（KJ2021A0102）、安徽师范大学的研究文化基金（2021xjxm052以及安徽省大学协同创新计划（GXXT-2020-075）的支持。