東北地理所在微塑料環(huán)境效應(yīng)與生態(tài)風(fēng)險研究中取得系列進(jìn)展
在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染挑戰(zhàn)中，微塑料（MPs）與納米塑料（NPs）作為新污染物，已廣泛分布于自然環(huán)境中，威脅著陸地生態(tài)系統(tǒng)健康。環(huán)境中的NPs質(zhì)量較低，難以精確檢測，其環(huán)境風(fēng)險評估一直面臨技術(shù)瓶頸。東北地理所環(huán)境生態(tài)學(xué)科組研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化提取程序和儀器的熱裂解溫度，成功開發(fā)出一種基于熱裂解氣相色譜質(zhì)譜（Py-GC/MS）鑒定和定量植物中納米塑料的方法，有效解決了這一問題[1]。該方法具有高度靈敏、操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，并且避免了金屬標(biāo)記元素對植物的干擾。已成功將該方法應(yīng)用于生菜對納米塑料吸收情況的量化研究。
圖1 熱裂解氣相色譜質(zhì)譜（Py-GC/MS）鑒定和定量植物中的納米塑料
在建立分析方法的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)對比并揭示了NPs和工程納米顆粒物（ENPs）對生菜的差異作用機(jī)制[2]。研究發(fā)現(xiàn)，暴露于NPs和ENPs的生菜中，氧化銅（CuO）ENPs引起的生菜膜損傷最為嚴(yán)重，根系通過上調(diào)半乳糖代謝和改變亞油酸代謝對CuO做出響應(yīng)，而暴露于NPs的根系通過調(diào)節(jié)氨基酸、輔因子和維生素代謝應(yīng)對NPs脅迫。這些代謝途徑的改變進(jìn)一步調(diào)節(jié)了CuO和NPs對根際微生物的不利影響。
圖2 納米塑料和工程納米顆粒物對生菜的差異作用機(jī)制
此外，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評估了NPs在食物鏈中的傳遞風(fēng)險，首次基于質(zhì)量濃度量化了NPs在生菜-蝸牛食物鏈中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移[3]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NPs的暴露濃度影響其在生物體內(nèi)的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移和生物分布，對直接暴露的生菜和間接暴露的蝸牛產(chǎn)生了不同程度的影響。
圖3 基于質(zhì)量濃度量化了NPs在生菜-蝸牛食物鏈中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移
針對寒冷地區(qū)特有的凍融（FT）循環(huán)現(xiàn)象，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了FT老化后的MPs對土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[4]。研究結(jié)果表明，FT老化后的MPs表面形貌和疏水性改變，結(jié)晶度降低。小粒徑的MPs抑制了土壤脲酶的活性，而大粒徑的MPs提高了土壤脲酶活性。FT老化的MPs顯著改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，增加了細(xì)菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。FT老化后的MPs還會影響遺傳信息和細(xì)胞過程，并破壞次級代謝產(chǎn)物的生物合成。
圖4 凍融老化的MPs對土壤酶和微生物群落組成的影響
與此同時，該團(tuán)隊(duì)還揭示了FT老化的MPs對蚯蚓的毒性作用機(jī)制[5]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，FT老化的聚丙烯（PP）MPs比原始PP-MPs對蚯蚓造成更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激和膜損傷。FT老化的MPs會導(dǎo)致蚯蚓腸道菌群失衡并富集具有塑料降解能力的微生物屬。與原始的聚乙烯（PE）MPs和PP-MPs相比，FT老化的PE-MPs通過上調(diào)脂質(zhì)和類脂分子來影響膜轉(zhuǎn)運(yùn)，而FT老化的PP-MPs通過下調(diào)有機(jī)雜環(huán)化合物來改變外源物質(zhì)的生物降解和代謝。
圖5 凍融老化MPs對蚯蚓的毒性作用機(jī)制
這些研究成果不僅豐富了MPs環(huán)境行為學(xué)的理論體系，也為制定有效的MPs污染防控策略提供了科學(xué)依據(jù)。相關(guān)研究成果分別發(fā)表于國際期刊Talanta、Science of the Total Environment、Journal of Hazardous Materials。由特別研究助理李艷君（第一作者）、于泳研究員（通訊作者）、徐光輝特別研究助理等人共同完成。研究得到了國家自然科學(xué)基金（U23A6001,42377282,42307045）的資助。
論文信息：
1. Li Y.J.,Lin X.L.,Wang J.,Xu G.H.,Yu Y.*,Quantification of nanoplastics uptake and transport in lettuce by pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry [J]. Talanta,2023,265: 124837. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124837
2.?Li Y.J.,Lin X.L.,Xu G.H.,Yan Q.L.,Yu Y.*,Toxic effects and mechanisms of engineered nanoparticles and nanoplastics on lettuce (Lactuca sativa L.) [J]. Science of the Total Environment,2024,908: 168421. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168421
3.?Li Y.J.,Lin X.L.,Wang J.,Xu G.H.,Yu Y.*,Mass-based trophic transfer of polystyrene nanoplastics in the lettuce-snail food chain [J]. Science of the Total Environment,2023,897: 165383. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165383
4.?Li Y.J.,Xu G.H.,Yu Y.*,Freeze-thaw aged polyethylene and polypropylene microplastics alter enzyme activity and microbial community composition in soil [J]. Journal of Hazardous Materials. 2024,470: 134249. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134249
5.?Li Y.J.,Xu G.H.,Wang J.,Yu Y.*,Freeze-thaw aging increases the toxicity of microplastics to earthworms and enriches pollutant-degrading microbial genera [J]. Journal of Hazardous Materials,2024,479: 135651. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135651
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