東北地理所在微塑料環境效應與生態風險研究中取得系列進展
在日益嚴峻的環境污染挑戰中，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境中，威脅著陸地生態系統健康。環境中的NPs質量較低，難以精確檢測，其環境風險評估一直面臨技術瓶頸。東北地理所環境生態學科組研究團隊通過優化提取程序和儀器的熱裂解溫度，成功開發出一種基于熱裂解氣相色譜質譜（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、操作簡便的優點，并且避免了金屬標記元素對植物的干擾。已成功將該方法應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上，該團隊對比并揭示了NPs和工程納米顆粒物（ENPs）對生菜的差異作用機制[2]。研究發現，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重，根系通過上調半乳糖代謝和改變亞油酸代謝對CuO做出響應，而暴露于NPs的根系通過調節氨基酸、輔因子和維生素代謝應對NPs脅迫。這些代謝途徑的改變進一步調節了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制
此外，該團隊進一步評估了NPs在食物鏈中的傳遞風險，首次基于質量濃度量化了NPs在生菜-蝸牛食物鏈中的營養轉移[3]。結果發現，NPs的暴露濃度影響其在生物體內的營養轉移和生物分布，對直接暴露的生菜和間接暴露的蝸牛產生了不同程度的影響。
圖3 基于質量濃度量化了NPs在生菜-蝸牛食物鏈中的營養轉移
針對寒冷地區特有的凍融（FT）循環現象，該研究團隊進一步探索了FT老化后的MPs對土壤酶活性和微生物群落結構的影響[4]。研究結果表明，FT老化后的MPs表面形貌和疏水性改變，結晶度降低。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構，增加了細菌群落共現網絡的復雜性。FT老化后的MPs還會影響遺傳信息和細胞過程，并破壞次級代謝產物的生物合成。
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，該團隊還揭示了FT老化的MPs對蚯蚓的毒性作用機制[5]。結果發現，FT老化的聚丙烯（PP）MPs比原始PP-MPs對蚯蚓造成更嚴重的氧化應激和膜損傷。FT老化的MPs會導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通過上調脂質和類脂分子來影響膜轉運，而FT老化的PP-MPs通過下調有機雜環化合物來改變外源物質的生物降解和代謝。
圖5 凍融老化MPs對蚯蚓的毒性作用機制
這些研究成果不僅豐富了MPs環境行為學的理論體系，也為制定有效的MPs污染防控策略提供了科學依據。相關研究成果分別發表于國際期刊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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