微塑料衍生溶解性有机质对微生物硝酸盐及砷酸盐还原的调控：胞外电子传递与胞内代谢响应

《Journal of Hazardous Materials》：Microplastic-derived dissolved organic matter modulates microbial nitrate and arsenate reduction: Extracellular electron transfer and intracellular metabolic responses

　　

摘要

光老化微塑料释放具有氧化还原活性的溶解性有机物（MPs-DOM），这可能影响厌氧条件下联合作用的污染物转化。在此，我们研究了加速紫外/过氧化氢氧化后源自聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA）的 DOM，并考察了其对希瓦氏菌属（Shewanella）CN32 菌株同时还原硝酸盐和砷酸 [As(V)] 的影响。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）、激发 - 发射矩阵平行因子分析（EEM-PARAFAC）及氧化还原测量揭示了明显的聚合物依赖性差异。PS-DOM 含有更高比例的多环芳烃和多酚区域分子式，并表现出显著更高的电子接受能力，而 PLA-DOM 含有更多高度不饱和分子式，显示出更高的电子给予能力。两种 DOM 类型均通过异化硝酸盐还原为铵（DNRA）途径加速了硝酸盐还原，使还原速率提高了 1.8–3.0 倍，并增强了 As(III) 的产生，尽管其幅度和动力学随 DOM 类型和添加量而异。全细胞电化学测量进一步显示，PS-DOM 添加系统中的反应更为明显。转录组学和代谢组学分析揭示了不同的细胞响应。PS-DOM 与呼吸电子传递过程、Nap/Nrf 系统及 arrA 基因的更强调节相关，而 PLA-DOM 则诱导中心碳代谢、NAD 相关通路及 Ars 系统发生更显著的变化。总之，这些结果表明，MPs-DOM 依赖于聚合物的分子组成和氧化还原特性，塑造了厌氧环境中硝酸盐和砷酸盐联合作物还原期间不同的动力学、呼吸和代谢响应。

引言

全球生态系统中塑料废弃物的普遍积累构成了关键的环境挑战，特别是由微塑料（MPs，<5  mm）的扩散所驱动 [1]，[2]。除了其物理持久性之外，MPs 还会经历由太阳辐射和氧化应激主导的复杂物理化学转化 [3]，[4]，[5]。光氧化风化裂解聚合物骨架并引入含氧官能团，同时驱动可溶性有机成分向水相的淋出 [6]，[7]，[8]。这种源自微塑料的溶解性有机物（MPs-DOM）代表了一个日益增加的活性碳库，其功能不仅仅作为微生物基质，更是一个氧化还原活性组装体，能够调节共存污染物的生物地球化学循环 [9]，[10]。

在光照地表水中释放后，MPs-DOM 可被输送至深层水、沉积物 - 水界面、孔隙水和地下水，在那里可能形成厌氧条件 [11]，[12]。然而，MPs-DOM 对缺氧环境中微生物氧化还原过程的具体影响仍严重缺乏研究。MPs-DOM 的分子架构和功能属性本质上取决于前体聚合物结构 [13]，[14]。聚苯乙烯（PS）以芳香族骨架为特征，通常表现出高度难降解性；然而，PS 的光氧化产生富含类腐殖质发色团和具有潜在氧化还原介导能力的芳香族基团的溶解产物 [15]，[16]。相比之下，聚乳酸（PLA）是一种主要的生物基聚酯，其酯键极易受到水解和光化学裂解。该过程主要释放乳酸和脂肪族低分子量物质，可能放大由此产生的 DOM 中的活性组分 [17]，[18]。这些基本结构差异意味着 PS 和 PLA 衍生的 DOM 对微生物电子通量及随后无机物种的转化产生不同的调节效应 [19]。

MPs-DOM 的生物地球化学意义在亚缺氧和厌氧水体系统中尤为显著，在这些系统中硝酸盐（NO₃^-）和砷酸盐 [As(V)] 作为关键的终末电子受体（TEAs）[20]，[21]。微生物介导的 NO₃^–还原控制着氮的衰减，而 As(V) 还原为 As(III) 会加剧砷的毒性和迁移性，从而构成重大的生态风险 [22]，[23]。在受农业投入品、废水和资源开采活动影响的人为扰动地下水中，硝酸盐和砷可能以高浓度共存 [24]。施肥强度大区域的地下水硝酸盐浓度可超过 300  mg/L，而还原性孔隙水或酸性矿井排水中的溶解砷可达数十 mg/L [25]，[26]。至关重要的是，微塑料 - 水 - 沉积物界面处的吸附和微 niche 形成可将局部污染物浓度放大至远高于整体水相水平 [27]。在这些复杂的氧化还原景观中，NO₃^–和 As(V) 的转化动力学和代谢途径由对有限电子当量的竞争以及氧化还原活性有机介体的可用性所决定 [28]，[29]。在具有丰富电子供体的条件下，厌氧环境中的硝酸盐还原通常通过异化硝酸盐还原为铵（DNRA）途径介导。DNRA 驱动的硝酸盐快速消耗减少了硝酸盐对砷酸盐还原的抑制作用，并可影响随后的 As(III) 形成 [30]。因此，添加引入氧化还原活性有机物和额外生物可利用碳的 MPs-DOM，可能会放大与 DNRA 相关的硝酸盐利用，并改变其与砷还原的耦合。然而，控制这些相互作用的具体机制仍不清楚。

胞外电子传递（EET）是连接微生物分解代谢与胞外无机污染物还原转化的关键过程 [31]，[32]。诸如希瓦氏菌属（Shewanella）等电活性属利用复杂的 EET 机制，包括外膜多血红素细胞色素和内源性电子穿梭体，以桥接胞内能量代谢与外部 TEA 还原 [33]，[34]。虽然天然有机物（NOM）已被广泛记录为作为电子穿梭体促进 EET，但 MPs-DOM 参与这些通路的能力——无论是通过直接的氧化还原穿梭还是通过胞内还原辅因子（例如 NADH/NADPH）再生的间接代谢上调——仍 largely 未被探索。尽管最近在表征 MPs-DOM 的光学和光化学性质方面取得了进展 [35]，[36]，[37]，但其分子组成如何决定电子传递动力学并调节 NO₃^–和 As(V) 的联合作物还原的机制理解明显缺失 [38]，[39]。

为了弥补这一知识空白，本研究系统评估了光老化 PS 和 PLA 衍生的 DOM 在耦合的 NO₃^–-As(V) 还原系统中的调节作用。通过模拟紫外 - 过氧化氢（UV-H₂O₂）风化生成 MPs-DOM，以模拟环境光氧化。建立了使用希瓦氏菌属（Shewanella）CN32 菌株的厌氧微宇宙，以阐明芳香族（PS）与脂肪族（PLA）DOM 对微生物还原动力学的不同影响。利用综合方法——结合 FT-ICR MS 和 EEM-PARAFAC 进行分子指纹分析、电化学技术进行氧化还原谱分析，以及转录组学/代谢组学进行机制解析——这项工作阐明了 MPs-DOM 调节胞内碳通量和胞外电子传递的途径。这些发现建立了一个综合框架，用于评估微塑料衍生的有机物对厌氧环境中氮和砷动力学的影响。

章节摘要

微塑料材料与化学品

商用聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA）微粒（标称直径，10 μm）用作 MPs-DOM 的前体。微塑料依次用超纯水在超声波下清洗，并在 60 °C 下干燥至恒重。硝酸钠（NaNO₃）和十二水砷酸钠（Na₃AsO₄?12H₂O）用作终末电子受体。蒽醌 -2,6- 二磺酸（AQDS）在指示处作为模型醌型电子穿梭体。过氧化氢（H₂O₂）

MPs-DOM 的组成与电子转移特性

FT-ICR MS 鉴定的 PS-DOM 和 PLA-DOM 的分子式主要位于范克雷夫伦图（van Krevelen diagram）的区域 I–III 中（图 1a–b）[57]，[58]。PS-DOM 包含 1,718 个指定分子式，由多环芳烃（1.80%）、多酚（1.16%）、高度不饱和化合物（50.23%）、脂肪族化合物（46.39%）和饱和化合物（0.41%）组成。相比之下，PLA-DOM 由 2062 个分子式组成，相应比例为 0.05%、0.73%、60.23%、38.46% 和 0.53%。这

MPs-DOM 对硝酸盐和砷酸盐水解还原的差异调节

PS-DOM 和 PLA-DOM 均加速了硝酸盐和砷酸盐的还原，但其效应通过不同的动力学和细胞响应表现出来。对于硝酸盐还原，最显著的处理差异发生在 k_obs、r0 以及 NO₃^–-N 的早期下降中，而在长期培养后终态硝酸盐浓度趋同。因此，MPs-DOM 主要影响硝酸盐还原的动力学，而不是系统最终的硝酸盐还原能力，这与

结论

光老化微塑料释放的溶解性有机物（MPs-DOM）增强了希瓦氏菌属（Shewanella）CN32 菌株在厌氧条件下硝酸盐和砷酸盐的还原，PS-DOM 和 PLA-DOM 产生了不同的动力学和细胞响应。MPs-DOM 加速了硝酸盐的消耗并改变了随后的亚硝酸盐还原为铵的过程，这反映在 NO₂^?-N 和 NH₄⁺-N 浓度以及 Nap/Nrf 系统的转录响应变化中。PS-DOM 表现出更高的电子接受

环境意义

本研究表明，光老化微塑料释放的溶解性有机物可以通过聚合物特异性效应增强微生物对硝酸盐和砷酸盐的还原。芳香族聚苯乙烯衍生的 DOM 似乎增强了胞外氧化还原过程，而聚乳酸衍生的 DOM 主要促进胞内代谢和细胞还原能力。这些结果表明，微塑料衍生的 DOM 可能会改变低氧水体中的氮滞留和砷形态

CRediT 作者贡献声明

胡宝明（Wenyu Liu）： 数据管理。赵一琳（Yilin Zhao）： 正式分析。杨洋（Yang Yang）： 资源、概念化。陈梦娜（Mengna Chen）： 资金获取、概念化。王家（Jia Wang）： 研究、资金获取。谢先军（Xianjun Xie）： 写作 – 审阅与编辑、指导、项目管理。谢祖明（Zuoming Xie）： 写作 – 审阅与编辑、研究、资金获取、概念化。胡宝明（Baoming Hu）： 写作 – 初稿、软件、方法学、研究、概念化。王艳鑫（Yanxin Wang）： 写作 – 审阅与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金委员会（批准号：42577070，41572230，41172219，42307115 和 42407074）和湖北省自然科学基金（编号：2025AFB940）共同资助。

胡宝明|谢祖明|谢先军|王家|陈梦娜|杨洋|赵一琳|刘文宇|王艳鑫

教育部地下水质量与健康重点实验室 & 环境学院，中国地质大学（武汉），武汉，430078，中国