文章精选| 郑州轻工业大学湿地生态安全与修复团队– 纳米聚苯乙烯通过改变河螺摄食偏好影响河流碎屑-植物食物链的能量流动
论文DOI: 10.1016/j.jhazmat.2026.142347
近日，郑州轻工业大学杜京京教授在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Nano-polystyrene influences energy flow dynamics in stream brown-green food chains: Evidence from feeding preference shifts of a river snail”的研究论文。本研究以溪流棕-绿色食物网为模型，系统揭示了纳米聚苯乙烯（nano-polystyrene, nano-PS）通过改变基础资源质量和消费者摄食tf o ，扰动生态系统能量流动的作用机制，为评估纳米塑料污染对淡水生态系统的潜在风险提供了新的理论依据。本研究通过为期21天的微宇宙实验，探究了不同浓度nano-PS对溪流生态系统中两类关键基础资源—钻天杨凋落物（Populus nigra）和底栖藻类水绵（Spirogyra sp.）营养特征的影响，以及其对中华圆田螺（Cipangopaludina cathayensis）摄食策略和能量分配模式的调控作用。研究发现，nano-PS暴露导致基础资源质量呈现显著的浓度和时间依赖性变化。在短期暴露阶段，中等浓度nano-PS（10 μg·L-1）可暂时提高凋落物营养质量，而高浓度nano-PS（100 μg·L-1）则降低凋落物营养质量，并促进真菌生物量增加。随着暴露时间延长，高浓度nano-PS持续削弱凋落物能量价值，使其逐渐转变为高养分、低能量的资源。对于底栖藻类，nano-PS暴露初期诱导期产生营养补偿响应，通过增加蛋白质和碳水化合物及有机质含量缓解环境胁迫。然而长期暴露后，该补偿作用逐渐减弱，藻类光合能力和营养价值持续下降。此外，nano-PS暴露诱导田螺产生氧化应激，并改变其能量分配策略，促进其调整摄食行为。在短期暴露阶段，田螺通过改变摄食偏好增加对凋落物的利用，以补偿资源质量下降；而随着长期暴露持续，摄食策略进一步发生变化，表明消费者行为调整受到基础资源质量变化和自身生理状态的共同驱动。从而导致摄食偏好在第7天时从藻类向凋落物转移，并于第21天逆转。研究结果表明，纳米塑料污染可通过改变基础资源特征和消费者行为，重新塑造棕色与绿色食物链之间的能量传递过程，进而影响溪流生态系统的稳定性和恢复能力。溪流生态系统中的能量流动主要依赖两类关键资源途径：以陆源凋落物分解为基础的棕色食物链（brown food chain），以及以底栖藻类初级生产为基础的绿色食物链（green food chain）。二者共同维持着溪流生态系统的物质循环和能量传递。近年来，纳米塑料因其微小粒径、高比表面积以及较强环境迁移能力，已成为淡水生态系统中的重要新兴污染物。然而，现有研究多关注纳米塑料对单一生物个体的毒理效应，而其是否能够通过改变基础资源品质，进一步影响消费者摄食策略和食物网能量传递过程，仍缺乏系统认识。针对这一科学问题，本研究构建溪流棕-绿色食物网微宇宙系统，以凋落物、底栖藻类和中华圆田螺为研究对象，探讨不同浓度nano-PS暴露下基础资源变化、消费者生理响应及摄食偏好的动态变化过程。在nano-PS暴露过程中，微生物分解者表现出显著的时间动态响应。如图1所示，短期暴露阶段，高浓度nano-PS（100 μg·L⁻1）显著促进凋落物表面真菌生物量增加，表明纳米塑料可能改变微生物定殖过程。进一步分析发现，不同浓度nano-PS对胞外酶活性产生差异化影响（图2）。其中，中等浓度处理（10 μg·L⁻1）增强了碳、氮、磷循环相关酶活性，包括β-葡萄糖苷酶（BG）、纤维二糖水解酶（CBH）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、N-乙酰葡萄糖苷酶（NAG）和酸性磷酸酶（AP）。然而，长期暴露后，高浓度nano-PS对真菌生长产生抑制作用，并导致部分酶活性发生变化，说明纳米塑料对分解者功能的影响具有明显时间依赖性。图2 微生物分解者在nano-PS暴露期间细胞外酶活性的变化凋落物作为棕色食物链的重要能源，其营养组成变化直接影响消费者资源获取。如图3所示，nano-PS暴露改变了凋落物碳、氮、磷含量及元素化学计量关系。短期暴露阶段，中等浓度nano-PS降低碳含量并提高氮含量，使凋落物营养比例暂时优化。然而，图4显示，不同浓度nano-PS均导致凋落物总脂质含量下降，表明可利用能量储备受到削弱。长期暴露后，凋落物虽然表现出较高养分含量，但能量价值降低，最终可能限制消费者对该资源的有效利用。图3 Nano-PS暴露期间凋落物中碳（a）、氮（b）、磷含量（c）、碳氮比（d）、碳磷比（e）和氮磷比（f）的变化。图4 Nano-PS暴露期间凋落物总脂质含量的变化底栖藻类是溪流绿色食物链的重要初级生产者。根据图5结果，nano-PS暴露导致藻类叶绿素a含量持续下降，说明其光合能力受到抑制。在短期暴露阶段，藻类通过提高蛋白质、碳水化合物及有机质含量产生补偿响应，以维持资源质量。然而，随着暴露时间延长，该补偿机制逐渐减弱，最终导致藻类营养价值下降，并降低其作为食物资源的吸引力。图5 Nano-PS暴露期间底栖藻类叶绿素a（a）、总蛋白（b）、碳水化合物（c）和有机质含量（d）的变化。Nano-PS不仅影响基础资源，也会改变消费者自身生理状态。如图6所示，nano-PS暴露诱导中华圆田螺产生氧化应激，其抗氧化酶系统（SOD、CAT和GPx）发生明显变化，同时影响其生长表现。进一步研究发现，田螺摄食行为发生动态调整（图7）。在短期暴露阶段，田螺增加对凋落物资源的利用，以补偿资源质量变化；随着长期暴露持续，其摄食策略进一步改变。图6 Nano-PS暴露期间腐殖食者生长速率（a）、超氧化物变形酶（b）、过氧化氢酶（c）和谷胱甘肽过氧化物酶活性（d）的变化。图7 Nano-PS暴露期间食碎屑动物对凋落物（a）和底栖藻类消耗（b）的变化，以及摄食偏好的变化。通过主成分分析（PCA），研究进一步揭示了消费者行为、资源特征和生理状态之间的关联关系（图8）。结果表明，nano-PS通过同时改变基础资源质量和消费者生理状态，驱动棕色与绿色食物链之间的能量流动重新分配，揭示了纳米塑料影响溪流生态系统功能的新路径。图8 在nano-PS暴露期间，食碎屑动物性状、凋落物特性及底栖藻类特性的主要成分分析。本研究证实，nano-PS能够通过改变基础资源质量和消费者摄食策略，以浓度和时间依赖的方式扰动溪流棕-绿色食物链之间的耦合关系。研究表明，纳米塑料污染的生态影响并不仅限于单个生物个体，而可能通过资源变化、消费者响应、能量流动受阻的级联过程影响整个生态系统功能。该研究为深入理解新兴污染物对淡水生态系统稳定性的影响提供了新的生态学视角。作者介绍通讯作者：杜京京，理学博士，教授，博士生导师。入选河南省高校科技创新人才，获河南省优秀硕士论文指导教师、河南省自然科学基金优秀青年基金等荣誉。现任中国环境科学学会减污降碳协同治理专业委员会委员和河南省化工学会青年工作委员会委员，并担任《生态学杂志》和《EcoEnergy》青年编委。长期从事污染生态学与淡水生态学领域研究，主持国家自然科学基金青年项目和面上项目、河南省自然科学基金优秀青年基金、河南省高校科技创新人才支持计划、河南省留学人员科研择优资助（优秀项目）等科研项目，并承担河南省重点研发与推广专项、河南省高等学校重点研发项目及企事业单位横向课题等多项科研任务。近年来，研究成果发表于Water Research、Journal of Hazardous Materials等环境与生态学领域权威学术期刊，以第一或通讯作者发表研究论文40余篇，授权国家发明专利10余项，出版学术著作3部。JHM家族期刊包括Journal of Hazardous Materials (JHM)，Journal of Hazardous Materials Letters (JHM Letters)，Journal of Hazardous Materials Advances (JHMA)，以及聚焦前沿细分领域的Journal of Hazardous Materials: Plastics (JHMP) 和 Journal of Hazardous Materials: Organics (JHMO)。JHM，JHM Letters和JHMA三本期刊具有相同的scope，侧重在环境危险物质的迁移，影响，检测和去除。旗舰期刊JHM发表高水平科研和综述文章，JHM Letters完全开放获取，发表Letter-type科研和前沿综述文章（3000字限制，4副图/表），JHMA定位为中档开放获取期刊。JHMP完全开放获取，专注微纳米塑料及其添加剂的环境行为、生态健康效应与污染控制技术研究，JHMO完全开放获取，致力于环境中各类有机污染物的分析、归趋、治理及毒理效应研究。
