河相中型实验系统中钴在微塑料上的吸附：生物膜发育的影响

《Microplastics》：Adsorption of Cobalt onto Microplastics in Riverine Mesocosms: Influence of Biofilm Development

　　

摘要翻译：塑性圈在环境相关条件下显著调控微塑料(MPs)、生物膜与痕量金属之间的相互作用，从而控制塑性圈包被微塑料的界面反应活性。本研究考察了在流通式河相中型实验系统中，暴露于不同钴(Co)浓度梯度(0–60 μg·L^?1)下28天的大型聚丙烯(PP)原生微塑料(约4 mm)对钴的吸附行为。研究采用多技术分析手段，结合电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)、定量聚合酶链反应(qPCR)和扫描电子显微镜(SEM)。钴的累积随时间的增加呈线性增长，与恒定暴露条件下对水相钴浓度的一级动力学依赖一致，在60 μg·L^?1浓度下暴露28天后达到38 ± 3 mg·kg^?1，且未观察到饱和现象。钴累积的浓度依赖性可由经验幂律模型(Q = KC₀ⁿ)较好地描述，其中经验系数K随时间呈线性增加，反映了在给定水相浓度下钴累积的逐步增强。微生物在微塑料表面的定殖发展迅速，16S和18S rRNA基因拷贝数在14天后趋于稳定，而表面归一化的钴信号在第21天后急剧增加，表明生物膜性质随时间发生改变，进而影响钴的滞留。SEM证实了复杂的微生物结构的存在，包括类似硅藻的细胞。在无菌条件下未观察到钴吸附，证实了生物膜存在对钴吸附的关键作用。这些发现突显了塑性圈在环境相关河流条件下作为化学和生物学活性界面的动态作用，对受塑料污染影响的淡水系统中污染物的归趋、生物可利用性及风险评估具有重要意义。

论文解读：河流环境中微塑料-生物膜-钴相互作用的时间动态：来自中型实验系统的证据

**研究背景与科学问题**

微塑料作为一种新兴污染物，因其在环境中的持久性、广泛分布以及与包括痕量金属在内的各类污染物的相互作用能力而受到日益关注。微塑料表面因其化学组成、孔隙率及官能团的存在，为金属提供了有利的吸附位点，这种吸附能力受环境老化的强烈影响，老化过程促进表面氧化和有机质富集。在此背景下，“塑性圈”概念被提出，用以描述塑料碎屑作为微生物生存的新型生态位——生物膜在塑料表面定殖后形成富含胞外聚合物(EPSs)及羧基、羟基、磷酸基等官能团的基质，这些基团能够络合溶解态金属。生物膜不仅可能增强污染物吸附，还可能调节相关污染物的生物可利用性和营养级传递。

尽管已有研究证实生物膜发育可以增强痕量金属在塑料表面的吸附，但大多数研究依赖于静态或简化的实验室暴露系统。在连续流动的河流条件下，生物膜发育、水动力条件和污染物暴露同时发生，而关于自然定殖塑料上金属累积的时间演变过程，相关认知仍然十分有限。此外，钴作为一种广泛用于锂离子电池的关键金属，在采矿和工业区域附近已检测到每升数毫克的浓度。物种敏感性分布分析得出的5%物种危害浓度为1.80 μg·L^?1，与欧洲预测无效应浓度值一致。然而，与其他痕量金属相比，钴与微塑料——尤其是包被生物膜的微塑料——之间的相互作用仍鲜有研究。因此，在环境相关浓度(6–60 μg·L^?1)下研究钴的行为，对于评估其迁移性、生物可利用性及塑料碎屑的潜在载体效应至关重要。本研究正是基于这一科学缺口，利用流通式河流中型实验系统，在环境现实条件下同时考察钴累积、微生物定殖及塑料表面钴空间分布的时间动态。

**研究方法概述**

研究人员在法国拉克的Pilot Rivers设施的流通式河流中型实验系统(人工河道)中开展了为期28天的野外暴露实验。实验于2021年10月12日至11月9日进行，系统以加夫德波河自然河水持续供给。共使用16条独立河道，设置三个钴暴露浓度(6、30、60 μg·L^?1)及无钴对照，每个条件三个重复。聚丙烯(PP)颗粒为工业级圆柱形母粒(平均粒径约4.28 mm)，以每袋50粒装入尼龙网袋并置于穿孔塑料盒中，沉入河道底部进行暴露。分析手段包括：电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)用于总钴定量；激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)用于表面微区钴分布分析；定量聚合酶链反应(qPCR)靶向16S和18S rRNA基因估算微生物丰度；扫描电子显微镜(SEM)用于观察生物膜形态结构。此外，研究人员还使用合成河水在无菌条件下(结合高压灭菌、0.1 μm无菌过滤、叠氮化钠添加和紫外照射)进行了平行对照实验。

**主要研究结果**

**3.1 钴暴露聚丙烯在河流条件下的生物膜发育**

在60 μg·L^?1钴浓度的时间进程实验中，提取的DNA从第7天的4 ± 1 ng·g^?1显著增加至第28天的53 ± 20 ng·g^?1，细菌16S rRNA基因拷贝数从(28 ± 10) × 10⁶升至(74 ± 30) × 10⁶拷贝·g^?1，真核18S rRNA基因拷贝数从(1.9 ± 0.7) × 10⁶升至(30 ± 9) × 10⁶拷贝·g^?1。Kruskal–Wallis检验显示第7天与后续时间点之间存在显著差异(p < 0.05)，表明微生物快速附着后趋于稳定。在钴浓度梯度实验(0、6、30、60 μg·L^?1)中，所有检测参数均未显示钴处理间的显著差异(p > 0.05)，表明在所测条件下钴浓度未明显改变微生物群落的整体发育。SEM观察证实，原始PP颗粒和无菌条件下暴露的PP颗粒表面光滑无定殖，而暴露于含钴河中型系统中的PP颗粒表面则广泛覆盖着微生物席、丝状网络及类硅藻细胞结构。

**3.2 聚丙烯颗粒上的钴吸附：动力学与剂量响应**

ICP-MS定量结果显示，在所有测试浓度下，吸附钴量(Q, mg·kg^?1)随时间的增加呈线性增长，未观察到平台或饱和现象。在60 μg·L^?1时，Q从第7天的9 ± 2 mg·kg^?1增至第28天的38 ± 3 mg·kg^?1。由于实验系统中水中钴浓度保持恒定，吸附通量恒定，线性回归斜率反映了表观吸附速率常数k_app，且该常数随钴浓度增加而增大(k₀ = 0.023 ± 0.003 L·kg^?1·day^?1)。由于系统未达平衡，研究人员使用经验幂律模型Q = KC₀ⁿ描述浓度依赖性，经验系数K随时间从第7天的约1.2增至第28天的4.4以上，且呈线性增加(斜率 = 0.160 ± 0.008)，而指数n保持在约0.5，表明钴累积对水相浓度呈持续亚线性依赖。值得注意的是，钴累积持续增加的时间段与微生物定殖指标趋于稳定的时间段(14天后)存在时间上脱钩——钴吸附在第14天后仍继续上升，而微生物生物量指标已趋于平台。无菌条件下钴浓度在整个28天内均低于检测限(LOD = 0.2 mg·kg^?1)，结合SEM未观察到可见微生物定殖，强有力地支持了生物膜发育与钴累积之间的密切关联。

**3.3 基于LA-ICP-MS的聚丙烯表面钴分布分析**

深度分辨LA-ICP-MS分析显示，金属累积强烈局限于PP颗粒的最外层区域——80%的信号集中在第一次剥蚀层，归一化59Co/13C信号在前三层间下降超过70%，第四层接近背景水平，表明钴滞留限于近表面区域而非扩散进入聚合物本体。时间序列分析显示，第7至第21天表面钴信号相对稳定(约0.04)，但在第21至第28天期间信号急剧增加约六倍(从约0.04升至约0.24)。鉴于SEM观察到的生物膜厚度与剥蚀深度(30 μm)相当，首次剥蚀层可能对应生物膜与表层聚合物界面。研究人员指出，59Co/13C比值变化可能部分受碳信号变化影响——干生物膜碳含量(约35–50%)低于聚丙烯(约85–87%)——但这一效应本身难以完全解释观察到的六倍增加。该结果揭示了常规酸消解方法可能高估实际金属-塑料相互作用的程度，因为相当一部分滞留钴被空间局限于最外层，可能存在于生物膜基质中而非真正结合于聚合物本身。

**讨论与结论**

本研究的核心发现表明，在流通式河相中型实验系统中，PP微塑料在28天暴露期间对钴的累积呈渐进式增加，吸附浓度随时间线性增长，在60 μg·L^?1条件下达到38 ± 3 mg·kg^?1。钴的吸收符合表观一级动力学依赖，浓度依赖性可由经验幂律模型较好地描述，经验系数K随时间线性增加。微生物定殖在前两周内快速增强(提取DNA增加11倍)后趋于稳定，但表面结合钴在第21至28天之间急剧增加，表明总生物量积累与金属滞留效率之间存在脱钩。无菌条件下钴累积可忽略不计，为生物膜发育与钴累积之间的强关联提供了有力支持。然而，钴累积在微生物生物量指标基本稳定后仍持续增长，表明钴滞留不能仅以微生物丰度变化来解释——生物膜组成、EPS性质、表面官能团或微生物群落结构的变化可能是潜在的贡献机制，但这些参数未在本研究中直接测定，需进一步研究验证。该研究通过将中型实验系统暴露与多尺度分析工具(ICP-MS、LA-ICP-MS、SEM、qPCR)相结合，在环境相关条件下为痕量金属-塑料相互作用提供了新见解。与依赖静态或简化装置的大多数前期研究不同，本研究捕捉了流通式水生系统中生物膜介导过程的复杂性，强调了表面级表征技术在准确评估塑料碎屑上污染物累积中的重要性。该研究还倡导微塑料污染领域方法论上的转变——从整体定量方法向集成的、深度分辨的策略转变，以捕捉生物膜发育、表面反应活性与复杂环境基质中污染物滞留之间的动态相互作用。未来研究应探索这些机制是否适用于其他聚合物类型、粒径和老化状态、金属种类及生物膜群落，并评估其环境意义。该论文发表于《Microplastics》期刊。