近岸水中新释放微塑料早期老化阶段的表面动力学：理化性质变化与微生物群落演替

《Environmental Pollution》：Surface dynamics of newly released microplastics during early-stage aging in coastal water: Physicochemical property alterations and microbial community successions

　　

• •
  微塑料（MP）表面在一个月内发生了微米级修饰和氧化。
• •
  纳米力学特性和元素特征捕捉到了MP表面瞬态的、不断更新的状态。
• •
  塑料圈（Plastispheres）容纳了与环境海水中截然不同的微生物群落。
• •
  保守的细菌核心群在波动的真核生物中锚定了生物膜。
• •
  MP对细菌具有确定性过滤作用，而真核生物的富集则具有随机性。

引言

在过去二十年中，微塑料（MPs，通常定义为直径小于5毫米的塑料颗粒）（Arthur等，2009）因其在全球范围内的普遍存在及其有害的生物效应，已成为海洋环境研究和政策的主要关注点（Casella等，2024）。在海洋环境中，从赤道到极地地区均已广泛检测到MPs，海水中浓度范围为每立方米6×10^–3至6.6×10⁵个（Tang等，2023）。由于其体积小且环境持久性，MPs可被多种海洋生物摄入，导致摄食活动减少、组织炎症和毒理学压力增加等不利影响（Chen等，2022；Zhou等，2026）。它们还可以作为载体，携带从周围海水中吸附的制造添加剂和污染物混合物（Huang等，2025；Rafa等，2024），从而促进有毒物质在海洋食物网中的生物累积，最终威胁到较高营养级和人类粮食安全（Jinadasa等，2023）。

沿海地区通常人口稠密且高度城市化，由于河流排放、废水排放和密集的航海活动的汇聚，这些区域成为MPs的主要积累场所（Auta等，2017）。一旦MPs进入沿海水域，它们会经历持续的老化过程，该过程涵盖物理、化学和生物变化，从而改变其表面特性，进而影响其环境行为和环境归宿（Duan等，2026）。老化引起的表面氧化、微裂纹形成和比表面积增加，可以增强MPs对环境污染物的吸附能力。例如，自然老化的聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）微塑料由于氧化导致表面氧含量较高，其铜结合能力相较于原始塑料有所增强（Chen等，2021）。类似地，经紫外线（UV）老化的PS和聚氯乙烯（PVC）由于表面氧化显著且存在局部微裂纹，对环丙沙星的亲和力有所增加（Liu等，2019）。与此同时，微生物在MP表面的快速定殖形成了一种称为塑料圈的专门微生物生物膜，它可以改变MPs的浮力和化学感受信号（Moyal等，2023；Nunez等，2023），从而影响其迁移和优势摄食，被浮游动物优先摄入。例如，已形成生物膜的老化PS微塑料相较于原始微塑料，被雌性长刺真刺水蚤（Acartia longiremis）以及糠粉哲水蚤（Calanus finmarchicus）的幼体（CV期）和成体优先摄入（Vroom等，2017）。

尽管人们日益认识到老化是决定MPs环境行为和环境归宿的关键因素，但MPs的自然老化过程仍远未得到充分研究。现有的大多数研究依赖于实验室环境中的人为方案，如紫外线照射、热氧化和机械搅拌，来模拟MPs的环境老化（Gao等，2024；Luo等，2022）。虽然这些方法对于分离特定机制可能很有价值，但它们通常无法捕捉复杂的原位条件，从而阻碍了对MPs真实世界行为和风险进行准确预测。虽然少数研究考察了MPs的自然老化，但它们通常仅提供老化终态的静态快照，或者仅分别关注物理化学转化（Chen等，2021）或微生物群落演替（Guan等，2020；Zhang等，2022）。目前，海洋环境中MPs自然老化过程中物理化学性质与微生物群落之间耦合的动态变化——这对真实环境归宿和风险评估至关重要——仍基本未被探索。

为弥补这些空白，本研究系统而多维度地调查了沿海海水中新释放MPs的自然老化过程。四种在全球范围内广泛存在的聚合物——PS、PE、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）——在自然条件下进行了原位布放，并在为期一个月的初始过渡期内进行了监测，以捕捉早期阶段的变化。我们的综合分析框架包含了一系列互补技术，用于追踪：(i) 通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察表面形貌变化；(ii) 通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学官能团的变化；(iii) 通过X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素组成；以及(iv) 通过高通量16S（细菌）和18S（真核生物）rRNA测序研究微生物群落演替和定殖机制。通过以前所未有的时间分辨率全面刻画物理化学性质变化和微生物群落演替，本研究为理解MPs表面早期环境演变奠定了过程基础，为其在海洋环境中的长期归宿和生态风险提供了关键见解。

章节摘要

MPs的准备与自然老化

原始MPs（PS、PE、PP和PET，纯度>99%），标称粒径为30 μm（该尺寸对于从大多数浮游动物到哺乳动物的海洋生物而言易于食用）（Courtene-Jones等，2022；Hansen等，1994），购自东莞市特瑞朗化工原料管理部门。为研究MPs在海洋环境中的自然老化，将原始MPs封装在特制装置中，该装置由两端密封的透明亚克力管组成，

表面微米级形貌的修饰

四种聚合物在沿海海水中自然老化期间的表面微米级形貌修饰如图1所示。在微米尺度上，原始PS具有鳞片状颗粒，边缘突出，中心平坦，其间夹杂着颗粒状突起和沟槽（图1a1）；在一个月老化过程中，这些鳞片状结构逐渐磨损，颗粒状突起和沟槽变得平滑，最终形成明显的微裂纹（图。

结论

本研究建立了关于沿海海水中四种全球广泛存在的MPs（PS、PE、PP和PET）早期自然老化的全面过程性认知，证明了一个月内表面发生了深刻转变。从物理化学角度来看，微米形貌和化学官能化构成了聚合物表面进行性修饰和氧化的稳定指标，而纳米力学性质和元素组成则捕捉到了一个不断变化的、持久更新的

CRediT作者贡献声明

Ke Pan（潘柯）：资源提供、资金获取。Jie Ma（马杰）：验证。Ciara Chun Chen（陈春淳）：论文撰写——审阅与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。Xiaoshan Zhu（朱小山）：资源提供、资金获取。Jingyi Ren（任景怡）：论文撰写——初稿撰写、形式分析、数据整理。Zehui Huang（黄泽慧）：调查。Yue Ding（丁悦）：论文撰写——初稿撰写、形式分析、数据整理。Fengyuan Chen（陈丰源）：调查。Shikun Yang（杨世坤）：调查

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明，不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究获得海南省科技创新人才基金（KJRC2023C11）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011042、2026A1515011307）以及广西八桂青年拔尖人才项目的资金支持。

Jingyi Ren | Yue Ding | Zehui Huang | Shikun Yang | Fengyuan Chen | Jie Ma | Ke Pan | Xiaoshan Zhu | Ciara Chun Chen