生物膜增强的可生物降解微塑料重金属吸附：机制、生态风险及管理启示

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biofilm-Enhanced Heavy Metal Adsorption onto Biodegradable Microplastics: Mechanisms, Ecological Risks, and Management Implications

　　

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  生物膜定殖的可生物降解微塑料（BMPs）比非可生物降解微塑料（NMPs）多吸附 61.2% 的重金属。
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  水解和胞外聚合物（EPS）的协同作用挑战了 BMPs 的环保形象。
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  生物膜覆盖的 BMPs 表现出独特的异质性吸附。
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  需要控制 BMPs 排放并进行针对性监测以降低风险。

引言

塑料污染已成为一个标志性的全球环境问题，微塑料（MPs）因其持久性和在海洋、淡水及陆地生态系统中的广泛分布而成为关键关注点 [1], [2]。除了对生物体的直接物理影响外，MPs 还作为共污染物（特别是重金属）的关键载体，通过增强迁移性和生物有效性创造“复合污染”，从而放大生态风险 [3], [4]。例如，在巴伊亚布兰卡河口，发现 MPs 携带的铅（Pb）浓度比周围海水平高 50–500 倍，可能导致Mytilus coruscus组织中的铅积累超过生态安全阈值 [5], [6]。这种协同作用令人担忧：重金属不可降解且具有致癌性，被 MPs 使其变得可移动，使这些塑料转变为“污染热点”，增强了金属在生态系统中的传输及对生物体的生物有效性 [7], [8], [9]。

这种复合污染中一个关键但被探索不足的维度在于 MPs 的材料特异性行为，特别是可生物降解微塑料（BMPs）作为循环经济倡议中提议的“绿色替代品”日益被使用 [10]。2022 年全球塑料产量超过 4 亿吨，但仅回收了 26.9%，推动 BMPs 的推广，其年产量增长率为 15% [11]。然而，其在完全降解前作为 MPs 的持久性（持续从数月年到数年）造成了一个关键盲点，即 BMPs 与传统不可降解 MPs（NMPs）相比表现出独特的表面性质。具体来说，BMPs 在水解过程中形成多孔、功能化的表面，通过静电和螯合机制增强金属结合 [10], [12]。这种在实验室环境中验证的材料依赖性变异性显示，聚乳酸（PLA）吸附多达 6080.3 μg·g?¹的铜（Cu），而聚苯乙烯（PS）仅吸附 370.5 μg·g?¹，BMPs 的最大铜吸附容量是 NMPs 的 16.4 倍 [13]。这种情况引发了紧迫的问题：旨在减少环境危害的 BMPs 是否无意中成为了更强的重金属载体。

NMPs 和 BMPs 之间表面性质的固有差异可能导致其表面的生物膜群落结构和胞外聚合物（EPS）成分发生分歧，从而调节其重金属吸附性能。加剧这一风险的一个关键但未得到充分研究的因素是 MPs 进入水环境后微生物生物膜的快速定殖 [14], [15], [16]。在 48 小时内，MPs 被细菌（例如Rhodobacteraceae, Flavobacteriaceae）、藻类和胞外聚合物（EPS）定殖，彻底改变了表面化学性质 [17]。生物膜通过改变理化性质增强重金属吸附能力。例如，生物膜定殖的聚丙烯（PP）吸附铅的速度是裸露 PP 的 2.1 倍 [18]，BMPs 上的铅浓度高达环境水平的 800 倍 [17]。这种生物膜还促进了重金属在水环境中的传输和分布 [19], [20]。此外，BMPs 释放嗅觉线索，促进生物体摄入，加速重金属进入食物网并放大营养级传递风险 [21], [22]。虽然一些研究表明聚合物类型对生物膜群落组成的影响很小 [23]，但最近的研究表明，生物膜定殖的 BMPs 表现出比 NMPs 更高的金属吸附 [19]。这种差异在现有文献中仍缺乏一致的特征描述，留下了理解 MP 类型之间生物膜介导吸附差异的关键空白 [13]。

过去十年中，关于 MP-重金属吸附的研究显著增长，但仍存在关键空白。首先，如图 1a 所示，与 NMPs 相比，关于 BMPs 的研究在 MPs 吸附文献中所占比例仍然相对较小。此外，生物膜如何通过表面性质改变和吸附动力学/等温线过程在 BMPs 和 NMPs 之间区分重金属吸附的机制定义不清。其次，将生物膜介导的金属吸附与生态风险评估联系起来定量证据稀缺，且金属负载 BMPs 的原位现场观察仍然有限。BMP-生物膜-重金属复合物的生态风险，包括其营养级传递潜力和协同毒性，缺乏系统评估。此外，还缺乏针对复合污染场景中减轻 BMPs 特定风险的管理策略。

本综述综合了当前知识，以阐明 MP 类型之间的生物膜介导重金属吸附行为，重点关注 BMPs。它比较了原生和生物膜定殖 MPs 之间的吸附机制、动力学和热力学平衡，评估了 BMP-生物膜-重金属复合物的生态风险，并提出了针对性的污染控制策略。通过聚焦于这些动态，本研究旨在填补复合污染研究中的关键知识空白，并为减轻 BMPs 在水环境中的潜在风险提供科学依据。

章节片段

MP-重金属吸附的研究趋势

为了澄清当前关于 MPs 吸附重金属的见解以及生物膜的调节作用，于 2024 年 5 月 20 日在 Web of Science 数据库进行了系统性文献检索。检索结合了关键词（“microplastic*” OR “microplastic particle*” OR “MP*”）AND（“heavy metal*” OR “trace metal*”）AND（“adsorption” OR “accumulation”）AND（“aquatic environment” OR “water system*”），检索到 2014 年至 2024 年间发表的 1338 篇文章和综述进行初步筛选（

生物膜的形成与发展

生物膜形成遵循保守的三步过程（图 3a），包括初始微生物附着、EPS 分泌以及随后的微生物增殖 [28], [29]。微生物附着主要发生在 MPs 表面数百纳米范围内，并通过顺序的可逆和不可逆阶段进行：可逆附着依赖于范德华力、布朗运动、静电相互作用和疏水相互作用，在此期间微生物

生物膜定殖 MPs 对重金属的摄取机制

生物膜定殖深刻改变了重金属吸附到 MPs 上的界面过程，导致可生物降解和非可生物降解类型之间动力学和热力学行为的系统性差异。这些差异主要源于材料的固有降解性质及其与生物膜微生物的特定相互作用。

生物膜-MP-重金属的复合生态风险及管理

MP 表面在自然环境中的生物膜定殖是一种普遍现象。大量证据确认，生物膜显著增强了 MPs 对重金属的吸附效率，增加了其负载能力和表面稳定性，从而加剧了 MPs 的载体效应和复合毒性。重要的是，生物污损可以大幅改变聚合物颗粒的堆积密度，这进一步重塑了 MPs 的垂直传输行为；

结论

基于对 59 篇专注于 MP-生物膜-重金属吸附相互作用出版物的系统综述，结合动力学、等温线和表面分析，本研究证明生物膜定殖一致增强了 MPs 的重金属吸附能力。具体来说，铅（Pb）吸附平均增加约 76.9%，而铜（Cu）和镉（Cd）等典型重金属的吸附增强范围为 45.0% 到 68.0%。此外，BMPs 表现出 61.2% 的更大

CRediT 作者贡献声明

Xizhe Wan: 验证，方法论。Yang Yang: 可视化，验证。Xiaochen Chen: 验证，方法论。Chunshuang Zhou: 方法论，调查。Yining Liu: 可视化，验证。Kexin Wang: 撰写–原稿，可视化，形式分析，数据整理。Xiaoyu Cui: 撰写–审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。Hongyang Cui: 验证，监督。Hongyang Cui: 监督，资金获取。Hongyang Cui: 验证，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金委员会（编号 42507629, U24A20640 和 42377399）、中国西藏自治区科技项目（编号 XZ202501ZY0072, XZ202601ZY0128, XZ202501ZY0091, XZ202502ZY0019, XZ202501ZY0138）、西藏自治区基地和人才发展项目（编号 XZ202502JD0025）以及天津大学和福州大学自主创新基金（编号 2026XSU-0013）资助。

Kexin Wang|Yining Liu|Yang Yang|Xizhe Wan|Chunshuang Zhou|Xiaochen Chen|Hongyang Cui|Yindong Tong|Xiaoyu Cui