生命科学
Life science
微/纳塑料(Micro/nanoplastics,MNPs,大小< 5 毫米)作为一种新型环境污染物,已经广泛分布于全球各类生态系统,对生物多样性和生态系统功能构成潜在威胁。MNPs的摄入和生物累积可能对生物体产生复杂的不利影响,且这些影响可能沿着食物网进一步扩散。以往MNPs的相关研究多数集中在海洋生态系统,而陆地生态系统中MNPs对地上(AG)和地下(BG)食物链的生态影响仍不清楚。
近日,中国科学院西双版纳热带植物园杨洁团队与King Abdullah University of Science and Technology、University of Southern Denmark的研究人员合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Plant Science发表综述“Ecological effects of micro/nanoplastics on plant-associated food webs”。该论文全面系统总结了MNPs在植物及相关AG-BG生物群体中不同营养级的吸收、摄入、生物积累和生态毒理效应,提出了MNPs在AG-BG食物链之间转移的关键途径,并阐述了其对陆地生态系统多功能性的影响。未来需全面评估陆域生态系统MNPs的生态效应,并制定有效的策略来减轻其对植物及地上-地下食物网的不利影响。文章的第一作者是中国科学院西双版纳热带植物园21级博士生Muhammad Ilyas,通讯作者为徐国瑞副研究员和杨洁研究员。
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1. 陆域生态系统中的微/纳塑料
截止2015年,全球塑料产量达到了83亿吨,大约12亿吨塑料垃圾进入了填埋场或环境中[1]。塑料垃圾在自然环境中难以完全降解,通过生物或非生物的作用破碎为微/纳塑料(MNPs,大小 < 5 mm)[2]。MNPs已经广泛分布于全球各类生态系统,从沙漠到农场、从山顶到深海、从热带到北极雪地,无处不在。MNPs的相关研究多数集中在海洋生态系统和海洋生物,减少海洋塑料污染已形成了国际共识。每年输入陆地生态系统的MNPs约是海洋生态系统的3-10倍[3],但陆地 MNPs 研究明显滞后。
已有证据表明MNPs可以在植物中累积,并可能在各营养级生物间传输。然而,陆地生态系统中MNPs沿营养级传递过程复杂,受MNPs的类型、大小和浓度影响。植物根部和叶片可以吸收亚微米级别的MNPs。MNPs进入植物系统成为其转移到地上-地下生物群落的潜在主要通道之一,导致更高营养级生物氧化应激、组织损伤、行为变化、生殖改变和代谢紊乱。
为了更好地理解MNPs对地上-地下食物网和生态系统多功能性的生态效应,本论文全面概述了MNPs的摄入、生物积累及其对植物和关键地上-地下生物的影响。论文首次提出了MNPs在地上-地下食物网中的传递路径概念框架,并指出MNPs可能扰乱生物相互作用并影响陆地生态系统生物多样性、生态系统过程和功能。
2. 微/纳塑料的生物积累和生态毒性
▲图1 微/纳塑料对于地上生物的生态效应
影响植物累积MNPs的关键因素包括受试MNPs的大小、类型、浓度和电荷以及植物的种类。空气中的MNPs可以通过气孔进入植物叶片,经维管束转运到根部。MNPs也可以通过根细胞壁进入,在植物根毛和根尖处聚集、渗透和积累。
影响动物摄入和累积MNPs的关键因素包括:(i) MNPs的可获得性,(ii) 猎物和MNPs的相似性(大小、颜色或形状),(iii) 取食习惯(广食性与专食性),以及(iv) 营养状态(饥饿程度)[4]。针对地上生物的MNPs生物累积研究主要集中在鸟类和昆虫,而地下生物的MNPs生物累积研究主要集中在蚯蚓和线虫。较大的MNPs通常在摄入后直接排出,而较小的MNPs在地上和地下生物中具有较高的生物累积潜力。
▲图2 微/纳塑料对于地下生物的生态效应
MNPs暴露会导致毒性并影响地上生物群的种群增长和多样性(图1)。MNPs的毒性作用由其内在特性、植物种类和环境因素决定。多数研究显示,MNPs在环境中实际浓度下会影响植物健康,表现为降低种子发芽率、抑制植物生长、减少叶绿素含量、上调应激指标等,少数研究显示对植物无影响或有积极影响[5]。MNPs影响昆虫、鸟类和哺乳动物的行为、生理和肠道微生物群,个别研究显示对繁殖、增长或死亡率无影响。MNPs对植物根系、土壤微生物和土壤动物表现出复杂的生态毒理效应(图2)。MNPs对根长的影响存在正负两方面,取决于MNPs的浓度、大小和类型。
总体而言,MNPs在植物及相关的地上-地下生物群中积累,并影响多营养级生物。当前大部分研究是短期实验,未来需要长期的野外操控研究探索MNP如何影响地上-地下群落及营养级互作。
3. 微/纳塑料沿营养级传递的主要路径
当前,缺少MNPs在地上和地下食物网中的营养传递和生物放大的野外研究。相较于水生动物,陆生动物对MNPs的吸收可能更多依赖于捕食者与猎物的互动,这使得MNPs通过陆地食物网的营养传递而生物放大的可能性更高[6]。本研究提出了MNPs沿地上和地下食物网传递的关键路径假设(图3)。具体包括:
MNPs沿地上食物网传递的3个可能关键路径:(a1) 叶-食草动物;(a2) 花-传粉者;(a3) 猎物-捕食者。MNPs沿地下食物网传递的3个待验证的关键路径:(b1) 根-丛枝菌根真菌;(b2) 根-食根动物;(b3) 凋落物-分解者。MNPs沿地上-地下食物网传递的3个待验证的关键路径:(ab1) 地上凋落物/动物残体-地下分解者;(ab2) 地下食物-地上捕食者;(ab3) 地下幼虫-地上成虫。
被植物吸收和积累后,MNPs可能会与食草动物、授粉者以及菌根、食根动物等产生相互作用。本论文提出的多条传递关键假设路径需要未来更多的野外操控实验进行深入验证。
▲图3 微/纳塑料在地上-地下食物网中的传输路径示意图
4. 微/纳塑料对陆域生态系统多功能性的影响
MNPs可以改变土壤特性,对生态多功能性和服务构成重大挑战[7]。本论文提出了MNPs通过改变酶活性、功能基因和土壤微生物影响碳、氮和磷等关键元素的生物地球化学循环的机制框架(图4),其影响因MNPs的类型、尺寸、浓度和土壤特性而异。需要注意的是,以往的研究仅集中在MNPs对一种或几种生态系统功能的影响上,MNPs对生态系统多功能性的影响仍然十分薄弱。
5. 总结和展望
越来越多的研究表明,MNPs广泛存在于陆地生物群中,并对其产生显著影响。微/纳塑料可以在陆地植物及其相关的地上-地下关键生物中积累,通过多种潜在路径在营养级间传播,并可能影响生物多样性格局、生态系统过程和生态系统多功能性。当前,微/纳塑料的营养级转移及其对生态系统多功能性的长期影响等方面研究仍十分薄弱。因此,未来需要全面评估微/纳塑料的生态效应,并制定有效的策略来减轻其对植物及地上-地下食物网的不利影响。同时,应采取预防性方法来监管陆地生态系统中的微/纳塑料污染,以保护陆地生态系统的健康和可持续发展。
▲图4 微/纳塑料对于生态系统碳、氮、磷循环的影响示意图
本文参考文献(上下划动查看)
论文作者介绍
徐国瑞
副研究员
徐国瑞,副研究员,硕士生导师,中国科学院青年创新促进会西双版纳热带植物园小组长、昆明分会副会长,长江经济带青年科学家论坛理事。2016年博士毕业于中国科学院生态环境研究中心,而后进入中国科学院西双版纳热带植物园工作至今。2017年入选中国科学院西部之光西部青年学者,2022年入选云南省“兴滇英才”青年人才。研究方向包括:(1)土壤生物宏观生态学格局;(2) 地上-地下关系;(3) 土壤健康。近年来,以第一或通讯(含共同)作者身份在Trends in Plant Science, Soil Biology and Chemistry(3篇)、Ecology和Journal of Hazardous Materials等期刊上发表论文10余篇。主持国家自然科学基金项目(3项)、科技部重点研发项目子课题(1项)、云南省重点项目(1项)等国家和省部级项目10余项。
杨洁
研究员
杨洁,研究员,博士生导师,中国科学院西双版纳热带植物园森林生态系统结构、功能与动态研究组组长,西双版纳热带雨林生态系统国家野外科学观测研究站行政副站长,中国生态学会理事。2013年博士毕业于中国科学院西双版纳热带植物园,主要从事森林生态系统结构、功能与动态研究。相关研究成果发表在Trends in Ecology & Evolution, Trends in Plant Science, Nature Ecology & Evolution, Ecology Letters, New Phytologist等期刊上。该研究组长期招收具有生态学和全球变化生物学背景的博士后。
相关论文信息
相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊
Trends in Plant Science,
▌论文标题:
Ecological effects of micro/nanoplastics on plant-associated food webs
▌论文网址:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1360138524003352
▌DOI:
https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.11.018