微塑料颗粒对淡水湖泊沉积物碳源代谢及细菌群落的影响机制研究

随着微塑料(MPs)污染加剧，淡水湖泊碳循环过程面临严峻挑战。中国科学院团队通过微宇宙实验，结合高通量测序和BIOLOG技术，揭示了聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)对沉积物微生物群落组装模式及碳代谢活性的差异化影响，发现PVC对碳代谢抑制最显著，而PE促进活性。该研究为评估水生系统MPs环境效应提供了新视角。

　　

塑料制品的大规模使用带来严重的环境问题，其中难降解的微塑料(MPs)因其微小尺寸（<5mm）和强迁移性，已成为全球关注的污染物。淡水湖泊作为陆地重要碳库，其沉积物中的微生物驱动着碳循环关键过程。然而，MPs如何影响这些微观生态过程尚不明确。尤其令人担忧的是，不同聚合物类型（如PE、PP、PS、PVC）可能因其化学特性差异而产生迥异的环境效应，但目前缺乏系统性研究。

为解答这一科学问题，中国科学院团队以我国最大淡水湖鄱阳湖沉积物为研究对象，设计包含PE、PP、PS、PVC四种MPs的微宇宙实验。通过30天培养，结合BIOLOG微平板技术（测定碳代谢活性）和16S rRNA高通量测序（分析菌群结构），首次系统比较了不同MPs对沉积物碳代谢功能与微生物群落的差异化影响。

Impact of MPs on sediment physicochemical properties
实验发现PVC显著提升沉积物总有机碳(TOC)含量和pH值，而PE处理组Fe(III)和NO₃^-浓度明显降低。这些变化暗示不同MPs通过改变氧化还原环境间接影响微生物代谢。

Impact of MPs on bacterial communities
尽管α多样性未显著改变，但MPs处理导致β多样性明显分化。网络分析显示PP、PS、PVC降低细菌共现网络复杂度，增加随机过程在群落组装中的贡献（PVC>PS>PP>PE）。关键物种(keystone species)分类组成发生显著变化，如PVC处理中硝化螺旋菌门(Nitrospirota)相对丰度提升2.8倍。

Carbon metabolic activity response
BIOLOG数据显示PE促进碳代谢活性，而PP、PS、PVC均呈抑制作用（PVC抑制率达34%）。Mantel检验证实Fe(III)和NO₃^-是调控碳代谢的关键环境因子。db_RDA分析进一步揭示PVC通过促进铁还原菌增殖改变碳代谢途径。

该研究创新性地阐明：
1）不同MPs通过"材料特异性效应"差异化调控微生物网络拓扑结构，PVC最大程度提高群落随机性；
2）MPs改变关键物种组成，如PE富集变形菌门(Proteobacteria)的碳降解菌，而PVC促进硝化菌增殖；
3）碳代谢响应与MPs化学性质密切相关，含氯聚合物(PVC)因释放Cl^-产生最强抑制。

这些发现为湖泊碳循环模型纳入MPs效应提供了理论依据，对评估MPs污染下的温室气体排放潜力具有重要价值。研究特别警示PVC制品的环境风险，建议优先管控该类塑料的使用。未来需进一步探究MPs-微生物-碳循环的长期互作机制，为全球变化背景下的湖泊生态管理提供科学支撑。