微塑料对不同粒径变幅带氮转化的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Impacts of microplastics on the nitrogen transformation in hyporheic zones with different grain sizes

　　

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  在潜流带中，PVC 和 PLA 对沉积物粒径条件的响应不同。
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  可生物降解的 PLA 促进硝酸盐消耗，而 PVC 导致的氮变化有限。
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  在微塑料暴露下，细颗粒沉积物显示出与硝酸盐还原相关的更强微生物响应。
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  在微塑料暴露下，粗颗粒沉积物通常保持更高的氧气可用性。

引言

潜流带（HZs）是河流中至关重要的过渡区，地表水和地下水在此混合并驱动物质和能量的交换。当水流经渗透性沉积物时，溶质的停留时间延长，溶解性养分、沉积物颗粒和微生物之间产生了密切接触 [1]。这些交换过程在短的垂直距离内形成了氧气、养分和氧化还原条件的强烈梯度，因此潜流带被广泛认为是河流廊道中的生物地球化学热点 [2]。此外，潜流带在河流系统的氮转化中起着重要作用。氮污染已成为许多流域的重要环境问题，潜流交换过程中反应性氮的转化或滞留会影响河水水质 [3]。在潜流带独特的水力交换和氧化还原条件下，微生物介导的硝化、硝酸盐还原和其他氮转化过程可以沿着水流路径同时或依次发生 [4]。先前的潜流带柱状实验和田间研究表明，水文交换、水化学和停留时间可以改变沉积物中的氮转化活性和微生物功能潜力 [5]。基于水化学和生物学方法的田间研究也表明，潜流带中的地表水与地下水相互作用之间存在紧密联系 [6]。因此，潜流带不仅是地表水和地下水之间的传输界面，也是调节河流系统中氮行为的重要区域 [7]。

在河流潜流带中，沉积物粒径是控制水力连通性、氧化还原条件和微生物功能的基本物理性质之一。粗颗粒沉积物通常具有较大的孔隙空间和较强的水力交换，这有助于溶质传输、氧气渗透和微生物活性 [8]。相反，细颗粒的存在可能会堵塞孔隙，阻碍溶质传输，并减少交换通量 [9]。这些物理差异可以进一步影响氧气可用性、养分停留时间、微生物栖息地以及氮转化过程的空间分布。例如，先前的柱状实验表明，在频繁的水下交换下，粒径可以调节微生物群落组装和氮转化活性 [10]。最近的研究也表明，沉积物粒径可以通过改变养分可用性和微生物丰度来影响与硝酸盐相关的生物地球化学过程 [11]。同时，渗透性和孔隙结构与沉积物粒径密切相关，并决定了多孔介质中水力交换的强度 [12]。因此，渗透性和细颗粒沉积物可能对矿化和底栖养分通量产生不同的贡献 [13]。因此，沉积物粒径不应仅被视为潜流带的背景特征，因为它可以为氮转化提供不同的水力、氧气和微生物环境 [14]。

微塑料（MPs）是多种水生环境中普遍存在的污染物，包括海洋、湖泊、水库、河流以及相连的地下系统 [15]。由于其对生物和人类的潜在影响，包括氧化应激、免疫紊乱和代谢障碍，微塑料引起了越来越多的关注 [16]。随着研究的深入，发现微塑料的存在与不同环境中的生物地球化学循环相互作用，而不仅仅作为惰性颗粒存在 [17]。微塑料可能通过释放溶解性有机物、吸附环境化学物质和改变微生物栖息地，直接或间接地改变碳和氮的循环 [18]。此外，微塑料较大的比表面积可以为微生物群提供独特的生态位，塑料表面形成的塑料圈可能与周围水体或沉积物中的微生物群落不同 [19]。这些与塑料相关的微生物组合可能会影响微生物的生物功能，从而影响养分循环，包括氮转化 [20]。先前的研究进一步表明，微塑料可以在不同的环境条件下影响典型的生物成因元素循环，这表明它们的生态效应与聚合物类型、环境基质和微生物响应密切相关 [21]。因此，微塑料对元素循环的影响已成为近期研究中的重要问题，特别是在活跃的河流界面和其他关键区域。

河流被认为是微塑料从陆地向下游水生生态系统转移的主要途径，大量的塑料废物可以通过河网输送到海洋 [22]。一旦进入河流，微塑料可能留在水柱中，沉降进入河流沉积物，或在颗粒特性和水动力学条件的影响下垂直迁移 [23]。因此，位于河床下方和旁边的潜流带可以作为河流环境中微塑料的重要储库。同时，地表水和地下水之间的持续交换可能会将保留的微塑料及相关化学物质输送到更深的沉积层或相连的地下水系统 [24]。由于潜流带也是氮转化的活跃场所，该区域微塑料的积累可能会通过改变局部物理化学条件、氧气分布、微生物定殖和底物可用性来影响氮循环 [25]。然而，尽管已在土壤、地表沉积物和其他相对固定的介质中报道了微塑料对氮转化的影响，但很少有研究关注其在持续水力交换的河流潜流带中的影响。鉴于潜流带的氮净化功能，与微塑料相关的氮转化变化可能会进一步影响其氮调节能力。此外，沉积物粒径也控制着微塑料在沉积物中的分布、滞留和最终归宿，因为孔隙空间、过滤、聚集和颗粒 - 沉积物相互作用影响微塑料的传输和积累 [26]。这些发现表明，潜流带中与微塑料相关的氮响应很可能取决于颗粒滞留的沉积物环境。

因此，本研究主要研究了在不同沉积物粒径的模拟河流潜流带中微塑料对氮转化的影响。选择聚氯乙烯（PVC）和聚乳酸（PLA）作为目标微塑料，分别代表传统的不可生物降解和可生物降解聚合物。这两种聚合物在材料性质、环境持久性、老化行为以及与微生物的潜在相互作用方面存在差异，最近的研究表明，PLA 的老化和降解可以改变沉积物环境中的碳可用性和硝酸盐生物还原 [27]。PLA 微塑料也可能通过调节淡水沉积物中的碳氮耦合来影响氮去除 [28]。然而，当聚氯乙烯和聚乳酸出现在由不同沉积物粒径组成的潜流带中时，它们是否会产生相似或不同的氮转化响应仍不清楚。在本研究中，利用出水中硝酸盐、亚硝酸盐和铵的响应来表征综合柱状响应，而研究孔隙水硝酸盐的垂直变化以描述沉积物内的空间变化。进一步测定溶解氧、微生物群落组成、氮转化相关酶活性和功能基因丰度，以探索相关的生物学和功能响应。鉴于未添加微塑料的对照组仅针对混合粒径沉积物建立，微塑料添加的评价通过将混合粒径对照组与相应的混合粒径 PVC 和 PLA 处理进行比较来进行，而每种聚合物处理中粗颗粒、混合颗粒和细颗粒沉积物之间的比较则用于描述响应在沉积物粒径条件下的差异。这些结果可以为评估潜流带中的微塑料污染提供理论参考，并为微塑料对河流关键区域氮转化的威胁提供新的见解。

章节摘要

材料与沉积物介质

潜流带沉积物样品采集自长江南京段，包括河流汇合区和饮用水源保护区。现场采集后，样品在 4℃下保存并运送到我们的实验室。实验室处理包括冷冻干燥、均质化以及通过 2 毫米不锈钢筛筛选。沉积物被归类为砂壤土，其粒径分布如表 S1 所示。均质化的沉积物是

潜流带中的无机氮转化

据报道，微塑料可通过增加孔隙率改善氧气扩散来刺激土壤中的硝化细菌活性 [45]。然而，在本研究的混合粒径条件下，与对照组相比，PVC 并未显著改变出水平无机氮（图 1A-C）。添加到混合粒径潜流带中的 PVC 也显示出溶解氧变化有限（见图 3）。在 PLA 存在的情况下，混合粒径潜流带中的硝酸盐浓度明显较低。这些浓度变化

结论

PVC 和 PLA 在潜流带中不同的沉积物粒径条件下产生了截然不同的氮转化响应。结果表明，在混合粒径条件下，可生物降解的 PLA 微塑料显著促进硝酸盐消耗，而 PVC 导致的无机氮变化有限。在暴露于微塑料的处理中，细颗粒沉积物中更强的硝酸盐消耗伴随着更低的氧气可用性以及更强的与硝酸盐

CRediT 作者贡献声明

闫振华：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取。陈曦：撰写 – 初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析。卢平：撰写 – 审阅与编辑。袁赛雨：撰写 – 审阅与编辑，验证，数据整理。丁洁：撰写 – 审阅与编辑，监督，概念构思。卢广华：撰写 – 审阅与编辑。张涛：方法论，调查，数据整理。刘石奇：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金委员会（U2340221, 42377389, 52209097）、江苏省自然科学基金（BK20220208, BK20230036）、陕西省重点研发计划（2025GH-YBXM-065）以及生态环境部地表水 - 地下水污染综合防治重点实验室开放项目（NKD202407MEE）的资助。

意义声明

微塑料（MPs）可在河流沉积物中积累并进入潜流带（HZs），在此处氮

闫振华|陈曦|张涛|刘石奇|陈玉芳|张成英|卢平|袁赛雨|丁洁|卢广华