《Environmental Science & Technology》：Influence of Fragmentation Techniques on the Biotic Aging of Test Microplastics
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研究人员探讨了机械破碎技术——超速离心研磨和混合研磨——如何影响淡水环境中聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）微塑料的生物老化，重点关注生物膜形成、微生物定殖及其理化性质的变化。聚合物类型和破碎方法均显著影响了生物膜发育。混合研磨的PP比超速离心研磨的PP积累了更
研究人员探讨了机械破碎技术——超速离心研磨和混合研磨——如何影响淡水环境中聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）微塑料的生物老化，重点关注生物膜形成、微生物定殖及其理化性质的变化。聚合物类型和破碎方法均显著影响了生物膜发育。混合研磨的PP比超速离心研磨的PP积累了更多生物膜，而后者表现出更高的叶绿素a和胞外聚合物（EPS）水平，表明其光合营养活性增强。宏基因组学分析表明，群落具有保守性，以Brevibacillus为主，并随破碎方式发生转变。Brevibacillus和Clostridium在超速离心研磨样品中富集，而Priestia则与混合研磨的颗粒相关。尽管叶绿素水平存在差异，Bradyrhizobium保持稳定，表明发生了依赖于破碎方式的代谢转变。塑料降解基因谱与生物膜趋势一致，以氧化酶（漆酶和过氧化物酶）为主。光谱和显微镜分析证实了功能化和形态学差异，而密度和结晶度测量揭示了与定殖相关的结构变化。这些结果强调了在微塑料分析用测试材料制备中表面特性的重要性，这取决于聚合物类型和破碎方法，并影响微生物附着和老化过程。因此，破碎技术的选择会影响微塑料的行为、相互作用及环境归宿。
微塑料（MPs，直径小于5毫米的塑料颗粒）污染已成为过去十年间重要的环境问题。微塑料在环境中的广泛存在及其持久性，凸显了了解其长期生态和健康影响的紧迫性。微塑料在环境中会经历由生物和非生物因素驱动的老化过程，从而改变其化学和物理性质，进而影响其迁移动力学、吸附污染物能力、添加剂浸出及生态毒性。其中，生物膜形成介导了微塑料与水生生态系统的相互作用。然而，目前实验室研究多依赖球形商品微塑料，这与环境中主要存在的不规则微塑料存在差异。虽然采用自上而下的破碎技术制备测试材料能更好反映自然过程，但不同破碎方法会显著影响微塑料的形态、化学成分和结晶度等理化性质。目前，关于这些破碎诱导的差异如何影响生物老化和生物膜形成的研究十分匮乏。在生态毒理学和环境归宿研究中，机械破碎的微塑料常被视作可互换的测试材料。如果破碎方法显著改变了微生物定殖和老化过程，则不同研究间的差异可能导致实验结果偏差。因此，本研究旨在探究不同破碎方法对实验微塑料后续生物老化的影响，该研究发表在《Environmental Science》。
研究人员比较了广泛应用于聚苯乙烯（PS，一种常见的塑料聚合物）和聚丙烯（PP，一种常见的塑料聚合物）的两种机械破碎方法：超速离心研磨和混合研磨。研究得出结论，聚合物类型和破碎方法显著影响了生物膜发育、微生物群落组成以及微塑料理化性质。该研究的重要意义在于强调了微塑料分析测试材料制备中表面特性的重要性，指出破碎技术的选择直接影响微塑料的行为、相互作用及环境归宿，为开发特征明确的测试材料提供了宝贵见解。
在主要技术方法上，研究人员选取了日常使用的PS和PP塑料制品进行超速离心研磨和混合研磨。样本队列来源为采自斯洛文尼亚卢布尔雅那Glins?c?ica溪流的天然河水，未经过滤以保留天然微生物群落。将制备的微塑料置于河水中进行16周的老化实验。随后，利用重量法测定生物膜量，分光光度法测定叶绿素a和胞外聚合物（EPS，微生物分泌的高分子聚合物）含量，宏基因组学（Metagenomics，研究环境样品中微生物基因组的方法）测序分析微生物群落与降解基因，比重瓶法测密度，场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，一种高分辨率显微镜）和光学显微镜观察形态，傅里叶变换红外光谱（FTIR，一种用于分析分子化学键和官能团的技术）分析化学成分，差示扫描量热法（DSC，一种热分析法，用于测定材料的热学性质如结晶度）测结晶度。
以下是研究结果部分：
测试用微塑料表征
研究人员通过粒度分析和接触角测量等手段评估了老化前微塑料的理化性质。结果表明，混合研磨的微塑料边缘不规则性更高（凸度较低），紧实度无显著差异。混合研磨的微塑料表现出显著更高的表观接触角，说明破碎技术修饰了颗粒的界面性质，改变了润湿性。
生物膜表征
通过测量生物膜量、EPS、叶绿素a含量和微生物组成发现，超速离心研磨的PS具有更高的生物膜量、EPS和叶绿素a水平；而PP则相反，混合研磨的PP积累了更多生物膜和叶绿素a。双因素方差分析表明，破碎方法和聚合物类型对生物膜参数存在特异性影响。主成分分析（PCA，一种多变量统计方法）表明，第一主成分（PC1）主要按研磨技术区分样品，第二主成分（PC2）按材料类型区分。
生物膜的微生物组成
宏基因组分类表明，所有样品具有相似的细菌群落，Brevibacillus最为丰富。不同破碎方法导致了相对丰度的重新分布：超速离心研磨样品中富集Brevibacillus和Clostridium，而Priestia与混合研磨颗粒相关。Bradyrhizobium在不同处理中保持稳定，表明发生了依赖于破碎方式的代谢转变。
塑料降解基因的功能筛选
通过宏基因组读长对PlasticDB酶数据库比对，发现了多种参与聚合物降解的蛋白家族。漆酶和过氧化物酶等氧化酶占主导地位。超速离心研磨的PS样品中的塑料降解酶相对丰度高于混合研磨的PS；而在PP样品中，混合研磨的PP高于超速离心研磨的PP。这些基因谱趋势与生物膜积累趋势一致。
微塑料分析
密度
在老化前，两种方法制备的PS和PP密度无显著差异。但在老化后，混合研磨制备的微塑料密度显著高于超速离心研磨的微塑料。
形态
通过显微镜观察，混合研磨的颗粒更不规则、破碎程度更高，而超速离心研磨的颗粒边缘更清晰。老化后的PP显示不同破碎方法下存在不同类型的微生物定殖。
化学成分
通过FTIR分析证实了老化后表面生物膜的形成，引入了脂质、蛋白质等生物分子的官能团。在老化PP中观察到O-H拉伸、N-H拉伸、酰胺I和酰胺II吸收等变化；在PS中也观察到O-H拉伸和酰胺I吸收等变化。
结晶度
由于PS为无定形，仅分析了PP的结晶度。原始PP的结晶度无显著差异。而在老化后，超速离心研磨的PP表现出比混合研磨PP更高的结晶度，这主要是由于混合研磨PP积累了更多无定形的生物膜。
在讨论部分，研究人员总结了不同机械力导致的表面形态、润湿性和化学性质差异共同影响了生物膜形成和代谢活动。生物膜积累和理化性质的变化密切相关，如混合研磨PP因表面不规则促进了微生物附着，导致密度增加和结晶度下降。宏基因组反映的降解基因仅为遗传潜力而非直接降解证据。研究结论部分指出：破碎诱导的差异在环境暴露前就已存在，决定了微生物定殖和生物老化的初始理化条件。因此，破碎方法不应仅仅被视为在所需粒径范围内生产颗粒的程序，而应被视为微塑料实验设计中不可分割的一部分。表面形貌和纹理、表面化学、聚合物类型以及生物膜形成类型也起着至关重要的作用。研磨方法引起的表面变化，结合聚合物特定的行为，共同导致了自然环境中微塑料长期归宿和行为的变异，影响其持久性、生物利用度和生态风险。此外，研究结论提醒，在将结果外推至其他聚合物类型或环境时需谨慎，并呼吁在实验室研究中必须选择合适的测试材料，避免忽视理化性质对实验结果可比性和环境行为解释造成的偏差。
