微塑料触发沉积物有机碳库稳定化途径：微生物介导溶解性有机质周转的证据

《Process Safety and Environmental Protection》：Microplastics trigger sediment organic carbon pools stabilization pathways: Evidence from microbial mediated DOM turnover

　　

摘要

湖泊沉积物是有机碳的关键储存库，然而微塑料（MPs）不断增加的输入已引发人们对其生态稳定性的严重担忧。然而，MPs 影响湖泊沉积物有机碳池动态和微生物过程的具体机制仍尚不清楚。在本研究中，将不同程度的光老化原始聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA）引入沉积物中，并培养 100 天，以调查其对有机碳动态和微生物群落演替的级联效应。结果表明，添加 MPs 增强了沉积物矿化作用，提高了 CH₄ 和 CO₂ 的累积排放量。 nonostante，MPs 暴露减少了沉积物溶解性有机质（DOM）中的蛋白质和酚类类似物等不稳定组分，促使 DOM 组成向更芳香和氧化形式转变，其中老化 PLA 表现出最高的产生速率。这种现象归因于不饱和脂肪族和酚类化合物的转化，这在 DOM 周转过程中起着关键作用。此外，与 PE 相比，PLA 添加显著增加了沉积物的氧化程度，老化 MPs 表现出更明显的影响。沉积物细菌、真菌和古菌群落随着时间的推移对 MPs 扰动表现出动态的结构和功能响应，PLA-MPs 添加可以增加微生物共存网络的复杂性和稳定性。值得注意的是，细菌来源的碳活性酶（CAZymes）编码基因在碳降解中起主导作用。本研究为 MPs 如何改变沉积物有机碳池稳定性并重塑微生物代谢网络提供了新的见解。

引言

随着快速城市化，大量塑料垃圾进入湖泊，威胁生态系统稳定性（Nava 等，2023）。随后，紫外线（UV）辐射和风化过程将这些塑料分解为微塑料（MPs；< 5 毫米），最终作为主要汇积累在沉积物中（Liu 等，2024a, Gao 等，2023）。作为新兴污染物，MPs 通过破坏生物地球化学循环和改变微生物群落对沉积物环境产生不利影响（Su 等，2019, Wang 等，2024a）。与此同时，全球范围内推广可生物降解塑料引起了广泛关注，因为它们可以水解并降解为二氧化碳（CO₂）和水，与传统的石油基 MPs 相比可能降低危害（Shi 等，2023）。然而，可生物降解塑料可能会向环境中释放多种低聚物，它们具有持久性有机污染物的特征并表现出更高的生物可利用性（Zhao 等，2025）。尽管可生物降解塑料的商业化和使用日益增加，但其对沉积物生态系统的生态影响仍知之甚少。

以前的研究表明，MPs 可以改变沉积物的理化性质和微生物群落，可能破坏有机碳池稳定性（Wang 等，2024a, Wu 等，2024）。作为有机碳池中高度活性的成分，溶解性有机质（DOM）在生物地球化学循环和生态系统稳定性中起着关键作用。先前的报告证实，MPs 的积累极大地影响了沉积物 DOM 的稳定性，特别是当 MPs 大量积累时（Choi 等，2026）。此外，MPs 的积累可以被视为沉积物中的外源碳源，因为 MPs 可以将 DOM 淋溶到环境中，从而通过加速或延缓有机碳降解来调节碳循环（Meyer 等，2018）。此外，MPs-DOM 增强了底物碳矿化，最近的研究阐明了微生物代谢和电子转移机制（Gao 等，2025, Qiu 等，2024）。MPs 对沉积物的不同影响可能取决于聚合物类型、浓度和老化程度（Chen 等，2022, Wang 等，2023）。值得注意的是，在河岸沉积物中，与老化 MPs 相比，原始 MPs 增加了 DOM 的腐殖化程度（Chen 等，2020）。老化过程还改变了 MPs 来源的 DOM 组分，导致可能影响 MPs 周围的生物地球化学过程（Qiu 等，2024）。然而，尽管湖泊沉积物 DOM 是陆地生态系统中的主要碳源，但很少有研究调查 MPs 对其分子水平结构和稳定性的影响，也没有充分探索微生物对这一过程的贡献。

本研究调查了两种常见的微塑料类型——可生物降解聚乳酸（PLA）和石油基聚乙烯（PE）——对沉积物有机碳池动态的影响，选择它们是因为它们具有不同的降解特性。通过 100 天的微宇宙培养实验，我们调查了不同老化程度的 PE 和 PLA 对沉积物有机碳池组成的影响。该研究解决了三个关键目标：(1) 表征 MPs 暴露后沉积物有机碳组分和生化性质的变化；(2) 追踪添加 MPs 后沉积物微生物群落结构的随时间变化；(3) 阐明响应 MPs 驱动有机碳转化的微生物代谢机制及其与沉积物碳组分的关系。这些发现为 MPs 如何改变沉积物有机碳池稳定性提供了重要见解。

章节片段

材料

表层沉积物样品（0-20 厘米深度）和上覆水采集自陕西省西安市兴庆湖（34°25′N, 108°97′E）。所有沉积物样品运至实验室，均质化，并通过 100 目筛网筛分后使用。上覆水通过 0.45 μm 玻璃纤维过滤，以去除大型动物和颗粒物。原始沉积物和上覆水的详细理化特性见表 S1。背景

沉积物有机碳组分和碳排放的特征

在培养结束时，在未添加处理和添加 MPs 处理的沉积物之间观察到总有机碳（TOC，图 S2A）、溶解性有机碳（DOC，图 S2B）、易氧化有机碳（EOC，图 S2C）、颗粒有机碳（POC，图 S2D）和潜在易氧化有机碳（LFOC，图 S2F）存在显著变化。然而，在对照组（BLK）和 PE 处理组之间未检测到微生物生物量碳（MBC，图 S2E）的显著差异。与对照组相比，添加 MPs 导致 TOC 浓度降低 2.10-9.52%，LFOC 浓度降低 12.14%-52.55%。这种降低可归因于大的比表面

环境意义

MPs 对沉积物碳循环的干扰构成了一个动态的生态过程，包括有机碳矿化、DOM 分子转化以及微生物群落功能演替的耦合。我们的研究发现表明，可生物降解 MPs（PLA）仍然影响沉积物碳循环和微生物群落，尽管与传统 PE 不同。值得注意的是，MPs 输入加速了沉积物碳矿化和温室气体（CO₂ 和 CH₄）排放，同时转移了

结论

调查表明，MPs 干扰显著增加了沉积物中的 DOC 浓度，其中老化 PLA（APLA）处理表现出最显著的效果。MPs 干扰下的沉积物 DOM 表现出增加的分子量、芳香性和更高的饱和烃化合物，这表明 MPs 促进了沉积物腐殖化。同时，MPs 处理导致 CHO 化合物丰度更高，而降低了 CHOS 含量和杂原子积累。

未引用的参考文献

（Fan, Z., Jing, C., Muhammd, T., Ali, I., Feng, Y., Sun, L., Geng, H. 可生物降解微塑料对湖泊沉积物特性、细菌动态和温室气体排放的影响及机制。Sci. Total Environ. 900, 165727.）

CRediT 作者贡献声明

Haihan Zhang：监督，资金获取，概念化。Shengnan Chen：写作 - 审阅与编辑。Jianghao Zhang：可视化，正式分析。Hongxia Wu：可视化，正式分析，数据整理。Tao Liu：写作 - 原始草稿，正式分析，数据整理。Ziying Zhao：可视化，方法论，数据整理。

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已影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究由陕西省优秀青年科学基金资助项目（编号：2025JC-JCQN-019）、国家自然科学基金（编号：52270168, 52500233）、陕西省自然科学基金（编号：2025JC-YBQN-634）以及 2024 年陕西省高校青年创新团队基金（编号：24JP096）资助。

Tao Liu|Hongxia Wu|Ziying Zhao|Shengnan Chen|Jianghao Zhang|Haihan Zhang