土壤微塑料胁迫下蚯蚓生态毒性效应及组学解析

Microplastic pollution, which is defined as a “re-emerging” pollutants in the international environmental science field, posed serious threat to the environment ecological system and have already become one of the hotspot and frontier projects in the whole world. This project will use earthworms, a terrestrial invertebrate animal model, to study the biological toxic effects from two common microplastics exposure. Depending on the occurrence of microplastics in soil and the organ distribution, the study will explore the toxic effects of microplastics on Eisenia fetida by combing enzyme activity, tissue damage, DNA damage and intestinal microflora. The biological omics technologies (genomics and metabolomics) will be employed to study on individual and molecular levels to elucidate the toxicity mechanism of microplastics. Moreover, the earthworms and soils from microplastics pollution sites will be detected with biological omics technologies. The results will be compared to the toxic effects of microplastics exposure of laboratory experiments. This study will provide scientific knowledge to reveal the potential environmental impact and risk to the ecosystem after the release of microplastic to the pedosphere, and to provide theoretical support for microplastic pollution control and environmental evaluation.

微塑料污染对环境生态系统构成严重威胁，是目前国际环境领域又一新兴污染物，其环境生态效应研究已成为当今热点和前沿课题。本项目拟以环境常见2种微塑料为研究对象，以土壤无脊椎动物蚯蚓为模式生物，在考察微塑料在土壤中赋存及蚯蚓体内分布的基础上，结合酶学、组织、DNA损伤和肠道微生物的结果探讨微塑料对赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）的毒性效应，采用生物组学技术（基因组学和代谢组学），分别从个体和分子水平研究微塑料暴露对蚯蚓的毒性作用，并应用实际污染土壤和蚯蚓对实验室微塑料毒性效应结果进行比对验证，明确真实微塑料污染环境中蚯蚓的毒性效应。研究成果将为揭示微塑料进入土壤环境对生态系统的潜在风险提供科学依据，为微塑料的土壤环境地球化学和生态效应研究提供理论支撑。

微塑料（MPs）已成为全球性环境问题。陆地生态系统作为MPs的重要汇集地，日益受到关注。本研究在探究不同尺寸MPs对土壤生物蚯蚓毒性效应基础上，阐明老化及原始MPs毒性效应差异；同时利用16SrRNA测序技术，研究两者对土壤微生物群落结构和功能的影响，结合代谢组学揭示代谢产物整体响应，探究MPs的毒性机制。结合室内实验和原位蚯蚓对土壤MPs-重金属污染响应，全面评估MPs对土壤生态系统潜在风险，对维护土壤生态安全具有重要科学和现实指导意义。主要研究结果如下：.1. 对太湖流域无锡地区春、冬两季农田土壤地膜MPs分析发现，土壤MPs丰度最高达890 items/kg soils，MPs尺寸在0-500μm的比例达到72.5%以上；MPs聚合物成分主要以聚乙烯MPs（PE-MPs）为主，占比达54.65%以上。且分析发现采样点土壤MPs丰度与重金属含量有一定相关性，且冬季土壤MPs丰度与Cd含量显著相关，表明MPs与Cd对土壤生物存在共同暴露污染的风险。.2. 不同尺寸MPs的毒性效应发现，蚯蚓可摄入MPs，尺寸集中在50-100μm；蚓粪中MPs数量高于土壤，提示MPs经摄入再排泄后风险可能增大；摄入的PE-MPs对蚯蚓生长具有一定抑制作用，且SPE与LPE组抑制作用更为显著；不同尺寸MPs对蚯蚓抗氧化防御系统未造成明显损害，但可引起组织损伤，程度SPE>LPE>MPE；且均可显著激活Na+/K+-ATPase活性，而SPE则显著抑制Ca2+-ATPase活性，也提示该组毒性最强。.3. 老化MPs暴露诱导蚯蚓肠道发生更为严重的组织病变，导致抗氧化系统受损，Na+K+-ATPase酶和Ca2+-ATPase酶含量下降，Ca2+无法泵出体外，造成渗透压失衡，细胞膜结构稳定性受到破坏，并最终影响蚯蚓对营养物质的吸收和离子转运。老化MPs暴露后降低了蚯蚓肠道微生物的多样性并改变微生物群落结构，引起致病菌疣微菌丰度上升；益生菌芽孢杆菌目、约氏乳杆菌、双歧杆菌及梭菌科丰度减少。.4. 原位蚯蚓对土壤MPs-重金属污染的响应结果表明，蚯蚓蚓粪及肠道中MPs及Cd富集程度高于土壤环境中赋存MPs。结合代谢组学发现，原位蚯蚓肠道氨基酸代谢及能量代谢均与采样点土壤最高MPs丰度呈现负相关，表明MPs丰度越大对蚯蚓能量抑制越明显，并通过苯丙氨酸转化为TCA循环的底物用于蚯蚓自身能量补给。