揭示真实城市河流中由功能性微生物群落相互作用驱动的、受水深影响的小塑料老化过程

《Journal of Hazardous Materials》：Unraveling water depth dependent microplastic aging driven by functional microbial community interaction in a real urban river

本研究在真实城市河流不同水深（0.1m、1.0m、2.0m）下探究了微塑料（MPs）生物膜的老化过程及其功能，发现深层水（2.0m）中PLA因氧化和酶协同作用加速老化，而PVC通过脱氯降解。深层水微生物具有反硝化与降解MPs的双重功能，降解基因与反硝化基因呈正相关，挑战了浅层水老化更快的传统认知，揭示了中等水深对微塑料生态功能调控的重要性。

　　

郑志杰|刘洪红|李志|唐景春|何建忠

中国南开大学环境科学与工程学院，污染过程与环境标准教育部重点实验室/天津环境诊断与污染修复工程中心，天津300350

摘要

微塑料（MPs）生物膜是调节物质转化过程的动态微栖息地。然而，自然城市水深梯度对生物膜功能及微塑料后续老化过程的影响仍不明确。本研究表征了实际城市河流不同深度中微塑料的老化过程，并阐明了生物膜驱动的老化机制。对微塑料的表面分析显示，在老化过程中，聚乳酸（PLA）中的含氧功能基团（C=O、C-O）和O/C比例增加，这表明发生了氧化和水解反应，尤其是在2.0米深度的水中。在聚氯乙烯（PVC）微塑料中，2.0米深度处的羰基指数（CI）是0.1米深度处的两倍，同时氯含量较低，表明在较深的水中氧化降解和脱氯过程更为显著。此外，生物膜可能调节PLA生物膜中氧化酶与水解酶之间的协同作用，以及PVC生物膜中氧化酶与脱卤酶之间的协同作用。具有反硝化和微塑料降解功能的微生物，如Acidovorax、Comamonas、Dechloromonas，在微塑料生物膜中富集。此外，在较深水深度的PLA生物膜中，微塑料降解基因（TGL2、katG、ncd2）与反硝化基因（napA、nirS、norB）之间存在正相关，表明反硝化功能可能对微塑料老化有潜在影响（培养45天）。这项研究挑战了微塑料在浅水区老化更严重的传统观点，强调了中等水深梯度在调节微塑料生物膜生态功能方面的关键作用，这对于评估实际城市河流中微塑料的命运至关重要。

引言

随着塑料污染的加剧，微塑料（MPs）已成为全球水生态系统中不可忽视的环境污染物[1]、[2]。在水环境中，微塑料将微生物附着在其表面并吸附有机污染物，形成参与养分循环和污染物转化过程的微塑料生物膜[3]、[4]、[5]。近年来，关于微塑料生物膜的研究不断深入，它们对污染物降解以及碳和氮循环的影响逐渐受到关注[6]、[7]、[8]。除了微塑料的物理性质外，其生物老化过程也是其生态效应的关键因素[9]、[10]。微塑料的老化过程通常伴随着表面性质的变化，如表面粗糙度的增加、亲水性的增强[1]、[11]。随着微塑料表面性质的变化，它们负载微生物群落的能力及其对微生物功能的影响也会发生变化[12]、[13]。

目前关于微塑料在生物膜中生物老化过程的研究仍不足，尤其是在自然河流水中微塑料的垂直演替方面，仍存在显著的知识空白。水深改变了关键的环境因素（光照强度、溶解氧、有机质等），这些因素也深刻影响了微生物群落从好氧到兼性或厌氧功能群的演替，从而可能调节微塑料的老化程度[5]、[10]、[14]、[15]。现有研究表明，表层水中的更强光照会诱导聚合物自由基的形成并引发氧化链反应，而较高的溶解氧水平也会促进活性氧（ROS）的生成[15]、[16]、[17]。因此，表层水通常被认为是微塑料氧化老化最显著的区域。然而，深水环境中低氧、高有机质的条件可能有利于具有厌氧降解或异养代谢优势的微生物群落[10]、[11]。这些功能性微生物可以通过酶促反应加速微塑料的结构分解[18]、[19]。研究表明，深水微塑料生物膜中典型的微塑料降解细菌的平均丰度从浅水区的9.38%增加到43.80%，表明深水区可能具有未被充分认识的微塑料生物老化潜力[11]。上述研究存在差异，因此需要进一步研究自然水中微生物群落的垂直演替及其对微塑料老化的影响。

此外，生物膜对元素循环功能中微生物丰度的调节可能会影响微塑料降解微生物，进而驱动微塑料的老化[2]、[20]。例如，有机质分解会释放低分子量碳源，磷循环的调节可以利用磷的释放来促进微塑料降解微生物的活性和生长，从而影响微塑料的老化[8]、[21]。然而，氮循环，特别是反硝化作用，在微塑料老化中的作用可能更为显著。研究表明，反硝化条件促进了聚乙烯的降解潜力，并且微塑料降解微生物群落从好氧细菌向厌氧细菌发生了动态演替[20]、[22]。当前的研究主要关注微塑料老化对元素循环的影响[23]、[24]，而实际河流水中不同水深下微塑料生物膜中氮转化驱动的微塑料老化尚未得到研究。

本研究的主要目的是探讨在城市水深梯度下微塑料生物膜老化的垂直动态演变及氮转化过程。在实际水环境中，微塑料的老化和生物膜的附着会改变其性质，从而影响其在水中的迁移[10]。本研究采用固定深度设计，分析了环境条件（光照强度、氧气浓度）沿水深梯度对微塑料老化和生物膜氮转化功能的影响，排除了迁移引起的暴露变化的影响。具体而言，本研究旨在：1）分析不同水深下不同类型微塑料（PLA和PVC）上生物膜形成的特征；2）比较不同水深条件下可生物降解（PLA）和不可生物降解（PVC）微塑料的老化机制；3）探讨微塑料生物膜中参与微塑料降解的关键功能性微生物及其基因的垂直演替，以及功能性微生物演替在微塑料老化中的作用。

实验材料与地表水环境

实验中使用的PLA和PVC来自中国东莞的瑞祥聚合物材料有限公司，直径约为0.8毫米。将微塑料在无菌水中超声处理5分钟后清洗，然后在室温下干燥。为了避免由于生物膜附着和老化导致的微塑料垂直迁移造成的暴露条件不一致，本研究使用笼子系统将微塑料固定在不同水深处。将2克的微塑料放置在...

不同水深下微塑料生物膜的表征

对原始微塑料和在不同水深下孵化的微塑料生物膜的表面形态进行了表征（图1a，图S2）。在较浅的水层（0.1米），生物膜生长更快，表面微生物附着密度更高，生物膜增厚趋势更明显。这可能与表层水中较高的光照和溶解氧浓度有关，这些因素促进了微生物的生长和繁殖，导致更活跃的...

结论

本研究探讨了不同水深（0.1米、1.0米和2.0米）和培养时间（15天、30天和45天）下微塑料生物膜的形成和老化及其微生物功能演替特征。结果表明，浅水层（0.1米）中的较高光照和溶解氧促进了生物膜的快速形成和EPS的积累，而2.0米深的水环境中富含微塑料降解基因和微生物。在微塑料老化过程中，PLA更容易发生氧化...

环境意义

本研究揭示了中等水深梯度下微塑料生物膜中反硝化和老化降解的协同机制，这对了解实际城市河流中微塑料生物膜的垂直微生物演替具有重要意义。具有反硝化和微塑料降解功能的微生物在深水微塑料生物膜中富集，证实了反硝化与微塑料老化降解基因之间的正相关关系。研究结果提供了理论...

作者贡献声明

刘洪红：撰写 – 审稿与编辑，监督。郑志杰：撰写 – 初稿，验证，方法学，调查，正式分析，概念化。何建忠：可视化，正式分析。唐景春：资源，项目管理，资金获取，数据管理。李志：监督，撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3709002）、国家自然科学基金（42377225）、天津市重点研发计划（23YFXTHZ00170）、天津市中外联合实验室计划（24PTLYHZ00190）以及中国教育部111计划（B17025）的支持。