硬质与软质EPS（聚苯乙烯泡沫）冠层对海水饱和多孔介质中纳米塑料的迁移行为具有不同的影响

《Environmental Pollution》：Hard versus soft EPS coronas govern divergent nanoplastic mobility in seawater-saturated porous media

本研究揭示了海洋环境中假单胞菌分泌的紧密结合EPS（TB-EPS）和松散结合EPS（LB-EPS）的化学异质性及其对纳米塑料（NP）行为的影响。通过元素分析、FTIR、XPS等表征发现，TB-EPS疏水性更强（C/H=3.40），形成更紧凑的硬冠（Rg=32.35nm），而LB-EPS亲水性更强（C/H=2.09），形成更松散的软冠（Rg=35.14nm）。实验表明，疏水相互作用和空间位阻效应而非静电作用主导NP在饱和孔隙介质中的迁移机制，为海洋塑料模型提供量化框架。

　　本研究聚焦于海洋环境中，由铜绿假单胞菌（*Pseudomonas aeruginosa*）分泌的两种外源性聚meric物质（EPSs）——紧密结合型（TB-EPSs）和松散结合型（LB-EPSs）之间的化学异质性，及其对纳米塑料（NPs）行为调控的作用。研究发现，这两种EPSs在纳米塑料表面形成的“生态冠”（eco-corona）表现出显著的差异，从而影响纳米塑料在饱和海水中多孔介质中的迁移机制。通过系统的分析和实验，研究揭示了EPSs在纳米塑料环境行为中的关键作用，并提出了新的视角，即立体阻碍和疏水作用，而非静电排斥，是调控纳米塑料迁移的主要因素。

纳米塑料由于其尺寸小、难以检测且广泛存在，已成为海洋污染中的一个重大问题。这些微小颗粒在海洋生态系统中具有深远的影响，尤其是在其迁移、转化以及对生物和环境的潜在危害方面。近年来，研究者发现EPSs在纳米塑料的环境行为中扮演着至关重要的角色。EPSs是一种由蛋白质、多糖和腐殖质等成分组成的复杂混合物，通常在微生物受到环境压力时产生。在海洋环境中，EPSs的大量存在可能对纳米塑料的环境命运产生根本性影响。随着纳米塑料污染的加剧，其与EPSs之间的相互作用频率和强度也相应增加，因此，深入研究EPSs如何包裹、驱动或影响纳米塑料的迁移过程，对于理解纳米塑料的行为以及评估其生态风险具有重要意义。

当纳米塑料进入水体环境时，它们会与EPSs发生多种物理和化学相互作用，包括静电作用、氢键作用和范德华力作用，从而形成独特的“生态冠”。这种冠状结构能够动态调节纳米塑料的表面电荷、亲水/疏水平衡以及物理阻隔效应，进而显著影响其在水体系统中的聚集行为和迁移过程。特别值得注意的是，原始纳米塑料倾向于优先与EPSs的疏水区域结合。这种增强的疏水吸引力，加上减少的立体排斥，大大限制了纳米塑料的迁移能力。与此同时，覆盖在纳米塑料表面的EPSs极性成分会降低整体的疏水性，同时增强电荷介导的排斥作用。此外，EPSs分子链对纳米塑料表面的包裹会形成明显的物理屏障。总体而言，这三种机制（疏水作用调节、静电稳定作用和立体阻碍作用）共同影响EPSs调控下的纳米塑料稳定性。

在高盐度的海洋条件下，生态冠的立体排斥作用能够有效抵消电双层压缩效应，成为维持纳米塑料胶体稳定性的重要因素。然而，传统研究在探讨纳米塑料在饱和多孔介质中的迁移时，往往将EPSs视为一种均质物质，忽视了其内部成分的固有异质性。实际上，EPSs可以根据其空间分布和结合能力被分为两个不同的亚类：紧密结合型（TB-EPS）和松散结合型（LB-EPS）。这两种亚类在化学组成、结构复杂性和功能特性方面存在显著差异。例如，在反硝化细菌中，TB-EPS和LB-EPS均含有较高的蛋白质含量，但TB-EPS特别富含类似色氨酸和芳香族蛋白质的成分。同样，在活性污泥中分离出的TB-EPS含有比LB-EPS更多的蛋白质，表现出更高的蛋白质与多糖比例以及更强的疏水性。这进一步表明，TB-EPS中的蛋白质、多糖和腐殖质之间存在更强烈的相互作用，导致其结构更加复杂和无序。相反，LB-EPS中的多糖和腐殖质主要通过蛋白质间接相互作用，而不是形成直接的化学键。值得注意的是，EPSs的组成在不同细菌种类之间存在较大差异，例如，在*Shewanella oneidensis* MR-1中，LB-EPS的蛋白质和多糖含量均高于TB-EPS。

由于TB-EPS和LB-EPS在组成、结构和相互作用模式上存在根本性差异，它们很可能通过不同的机制调控纳米塑料的行为，从而导致对胶体稳定性和迁移动态的不同环境影响。然而，目前系统研究TB-EPS和LB-EPS如何差异性地调控纳米塑料表面性质、胶体稳定性和迁移能力仍较为有限。此外，当在海水中受到剪切力作用时，TB-EPS和LB-EPS亚类都可能发生解离，从而允许与纳米塑料形成独立的“生态冠”：由强结合TB-EPS形成的“硬冠”纳米塑料（HNPs）和由弱结合LB-EPS形成的“软冠”纳米塑料（SNPs）。

本研究旨在全面表征EPS亚类的结构特征，并阐明由此产生的“软与硬EPS生态冠”（即HNPs和SNPs）如何影响纳米塑料的迁移及其背后的机制。具体研究方法包括：（1）开展一维柱状实验，生成突破曲线和保留曲线，以定量评估纳米塑料的迁移潜力；（2）采用多种分析技术，包括元素分析、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和X射线光电子能谱（XPS），系统分析TB-EPS和LB-EPS之间的化学差异；（3）利用小角度X射线散射（SAXS）、Guinier-Porod模型、动态光散射（DLS）、透射电子显微镜（TEM）和三维激发发射矩阵（3D-EEM）光谱，阐明HNPs和SNPs的形成过程，并揭示其空间立体排斥的差异；（4）量化纳米塑料表面在形成HNPs和SNPs前后的蛋白质、多糖和腐殖质含量变化，以揭示这些软与硬EPS生态冠的组装过程中的根本差异。通过本研究，有望进一步加深对纳米塑料与EPSs界面相互作用的理解，揭示新的由软与硬EPS生态冠介导的纳米塑料迁移机制，并为准确预测纳米塑料在海洋环境中的命运和迁移提供关键的理论支持和实验依据。

研究的材料部分，本研究中使用的多孔介质为来自中国渤海湾秦皇岛（39.82° N, 119.49° E）海底的天然海沙。这些海沙经过空气干燥处理，筛分通过20–30目不锈钢筛网以去除杂质，随后用去离子水彻底冲洗，直至出水清澈。冲洗步骤的目的是去除海洋沉积物（如贝壳和微生物残留），同时有意保留EPSs的结构特性。海沙的物理和化学性质对于实验结果的准确性至关重要，因此在实验前进行了详细的表征和分析。

在对TB-EPS、LB-EPS、HNPs和SNPs的基本性质进行分析时，研究发现这些物质在碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）和硫（S）含量方面存在明显差异（图1a，表S3）。特别是，TB-EPS的碳含量（26.13%）显著高于LB-EPS（15.43%）。相应地，TB-EPS的C/H摩尔比（3.40）也明显高于LB-EPS（2.09），表明TB-EPS中含有更多的疏水性结构基团。这一特性通常与更高的疏水性相关联，因此TB-EPS表现出更强的疏水性，而LB-EPS则表现出更强的亲水性。这种疏水与亲水的差异在纳米塑料的表面行为中具有重要作用，决定了其与EPSs的相互作用方式和迁移能力。

当纳米塑料表面被TB-EPS和LB-EPS包裹时，它们分别形成“硬冠”和“软冠”。TB-EPS由于其丰富的疏水性结构基团，能够有效增强纳米塑料的结合能力，形成较为紧密的冠状结构。而LB-EPS由于其较高的亲水性，形成较为松散的冠状结构。这两种冠状结构都会减少颗粒之间的静电排斥，使得纳米塑料在迁移过程中更加容易移动。这一发现表明，静电作用并不是调控纳米塑料迁移的主导因素，而是疏水作用和立体阻碍作用起到了更重要的作用。

此外，研究还发现，TB-EPS和LB-EPS在形成冠状结构后，其物理特性发生了显著变化。例如，TB-EPS形成的HNPs和LB-EPS形成的SNPs在形成后表现出不同的水动力直径和ζ电位。HNPs的水动力直径增加了9.51%，而SNPs增加了6.64%。同时，HNPs的ζ电位绝对值减少了28.5%，而SNPs减少了26.7%。这些变化表明，纳米塑料在与EPSs形成冠状结构后，其迁移能力发生了显著变化，这与冠状结构的物理和化学特性密切相关。

研究进一步利用小角度X射线散射（SAXS）分析了HNPs和SNPs的形成过程。结果显示，HNPs形成较为紧密的冠状结构，其回转半径（Rg）为32.35 nm，斜率（S）为3.52，这一特征主要由TB-EPS的疏水性蛋白吸附所驱动。而SNPs则形成较为松散的冠状结构，其Rg为35.14 nm，斜率（S）为3.68，这一结构增强了沙粒的保留能力，通过空间立体阻碍效应提高了16.05%。这些结果表明，不同类型的冠状结构在调控纳米塑料的迁移和保留方面具有不同的作用机制，其中疏水性蛋白吸附在HNPs的形成中起到了关键作用，而LB-EPS的极性成分则在SNPs的形成中起到了增强空间立体阻碍的作用。

通过这些研究，可以更全面地理解纳米塑料与EPSs之间的界面相互作用，以及这些相互作用如何影响纳米塑料的迁移和保留。此外，研究还揭示了EPSs亚类在调控纳米塑料行为中的不同作用，为海洋环境中纳米塑料的环境行为提供了新的视角。这些发现不仅有助于改进现有的海洋塑料命运模型，还为评估纳米塑料对生态系统的潜在影响提供了重要的理论支持和实验依据。

研究的结论部分强调，EPSs的亚类在组成和结构上存在明显差异，这种差异直接影响了其对纳米塑料行为的调控能力。TB-EPS由于其高碳含量和低O/C比，表现出较强的疏水性，而LB-EPS则由于其高氧含量，表现出较强的亲水性。当这些EPSs包裹在纳米塑料表面时，TB-EPS形成“硬冠”，而LB-EPS形成“软冠”。这两种冠状结构都会减少颗粒之间的静电排斥，使得纳米塑料在迁移过程中更加容易移动。这一发现表明，静电作用并不是调控纳米塑料迁移的主导因素，而是疏水作用和立体阻碍作用起到了更重要的作用。

此外，研究还发现，不同类型的冠状结构在调控纳米塑料的迁移和保留方面具有不同的作用机制。例如，TB-EPS形成的HNPs在形成后表现出更高的水动力直径和更低的ζ电位，这使得它们在迁移过程中表现出更高的移动性。而LB-EPS形成的SNPs则表现出更低的水动力直径和更高的ζ电位，这使得它们在迁移过程中表现出更低的移动性。这些差异进一步表明，纳米塑料的迁移能力不仅受到冠状结构的影响，还受到EPSs化学成分和结构复杂性的影响。

通过本研究，可以更全面地理解纳米塑料与EPSs之间的界面相互作用，以及这些相互作用如何影响纳米塑料的迁移和保留。此外，研究还揭示了EPSs亚类在调控纳米塑料行为中的不同作用，为海洋环境中纳米塑料的环境行为提供了新的视角。这些发现不仅有助于改进现有的海洋塑料命运模型，还为评估纳米塑料对生态系统的潜在影响提供了重要的理论支持和实验依据。

研究的贡献部分表明，Yange Wang在本研究中承担了原始撰写、可视化、方法论、调查和数据整理的任务。Yilin Zhao参与了可视化和方法论的工作。Cun Xiong负责软件和数据整理。Yuping Qiu在研究的审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取和概念化方面做出了重要贡献。Hao Qiu负责验证和形式化分析。这些分工确保了研究的顺利进行和高质量成果的产出。

在声明部分，研究者明确表示，他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本研究的成果。这种声明体现了研究的客观性和透明度，有助于提高研究的可信度和科学价值。

最后，在致谢部分，研究得到了中国国家自然科学基金（22176148）和同济大学中央高校基本科研基金（2023-3-ZD-02）的支持。这些资金支持为研究的顺利开展提供了必要的资源和条件，使得研究能够在实验设计、数据分析和结果解读等方面取得突破。同时，这些支持也反映了研究在学术界和科研机构中的重要性，以及其对海洋环境保护和污染治理的现实意义。