研究簡介:本研究聚焦于利用底棲動物（以蘇氏尾鰓蚓Branchiura sowerbyi為模型）增強(qiáng)河岸沉積物中微塑料（MPs）的生物降解。由于微塑料具有高度聚合性和化學(xué)穩(wěn)定性，其在自然環(huán)境中降解緩慢，尤其在作為重要“匯”的河岸沉積物中累積嚴(yán)重。研究團(tuán)隊構(gòu)建微宇宙實驗系統(tǒng)，對比有無底棲動物擾動條件下聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）三類典型微塑料的降解情況。結(jié)果表明，底棲動物的生物擾動顯著促進(jìn)微塑料降解（P<0.05），使PS、PP和PLA的重量損失分別提高了2.08倍、2.19倍和1.68倍。機(jī)制研究表明，生物擾動通過雙重路徑加速降解：一是物理化學(xué)路徑，即通過改變沉積物氧化還原條件，顯著提升溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh），從而促進(jìn)羥基自由基（·OH）的生成。這些活性氧攻擊微塑料分子鏈，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞和老化程度增加；二是生物路徑，即重塑微塑料表面“塑際”（plastisphere）的關(guān)鍵微生物群落。研究發(fā)現(xiàn)，氨氧化古菌（奇古菌門Thaumarchaeota）和細(xì)菌（硝化螺旋菌門Nitrospirae）等關(guān)鍵微生物在擾動后富集，并與微塑料降解密切相關(guān)。代謝組學(xué)分析進(jìn)一步揭示，PLA降解的主要代謝產(chǎn)物為(?)-α-紅沒藥醇，而PS和PP則主要產(chǎn)生十六烷二酸。這些代謝途徑可能與硝化過程協(xié)同進(jìn)行。該研究首次系統(tǒng)闡明了底棲動物通過耦合活性氧介導(dǎo)的非生物氧化與關(guān)鍵微生物驅(qū)動的生物代謝，共同促進(jìn)微塑料向低分子量化合物轉(zhuǎn)化的新機(jī)制，為利用自然生態(tài)過程修復(fù)河岸帶微塑料污染提供了理論依據(jù)和技術(shù)思路。

Unisense微電極分析系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極對沉積物微環(huán)境進(jìn)行高分辨率原位監(jiān)測。使用了Unisense OX-25型溶解氧微電極，其具備微米級探針尖端，能夠精準(zhǔn)穿透沉積物界面而不顯著破壞原有結(jié)構(gòu)。實驗中將微電極固定于三維微操縱器上，以0.2 mm為間隔進(jìn)行垂直剖面測量，確保數(shù)據(jù)具有高空間分辨率。unisense氧氣微電極用于測定沉積物-水界面以下0-3 cm剖面的氧濃度分布，結(jié)果顯示生物擾動使沉積物DO濃度顯著提升80.95%。通過同步測量同一剖面的Eh值變化，發(fā)現(xiàn)生物擾動組Eh值比對照組升高14.73%。

實驗結(jié)論

通過生物擾動（bioturbation），底棲動物Branchiura sowerbyi顯著增強(qiáng)了河岸沉積物中聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）三類微塑料的生物降解，其重量損失分別提高了2.08倍、2.19倍和1.68倍。微塑料降解由非生物因素（如活性氧）和生物因素（如微生物代謝）共同驅(qū)動，二者貢獻(xiàn)率分別為43.0–53.1%和46.9–57.0%。其中，非生物過程對石油基塑料（PS、PP）降解貢獻(xiàn)更大，而生物過程對可降解塑料（PLA）起主導(dǎo)作用。底棲動物擾動提升沉積物中的溶解氧和氧化還原電位，促進(jìn)羥基自由基（·OH）生成，進(jìn)而破壞微塑料高分子結(jié)構(gòu)，提高其老化程度與可降解性。生物擾動顯著改變了微塑料表面“塑際”微生物組成，富集了包括奇古菌門（Thaumarchaeota）和硝化螺旋菌門（Nitrospirae）在內(nèi)的關(guān)鍵功能微生物，這些微生物可能通過參與硝化等代謝過程協(xié)同降解微塑料。代謝組學(xué)分析表明，PLA降解的主要代謝產(chǎn)物為(?)-α-紅沒藥醇，而PS和PP則以十六烷二酸為主，提示不同塑料具有特異性的生物降解代謝通路。

圖1、生物擾動下MPS降解的特性。（a，d，g）河岸沉積物中生物擾動下的MP的重量損失、表面形態(tài)和FTIR光譜，以及原始MP（PPS、PPP、PPLA）、無生物擾動沉積物中的MP（PS、PP、PLA）和生物擾動沉積物中MP（DPS、DPP、DPLA）中羰基指數(shù)的變化。（b，e，h）O/C比值，即河岸沉積物中受生物擾動的MPS的相對比例（%）和C–O/C=O。（c，f，i）基于（Mw）的沉積物平均摩爾質(zhì)量（Mn）、基于（Mw）的重量平均摩爾質(zhì)量，以及在河岸沉積物中生物擾動下的MP的Mn/Mw。

圖2、生物因子和非生物因子對PS（a）、PP（b）和PLA（c）降解的貢獻(xiàn)。

圖3、河岸沉積物中生物擾動下溶解氧濃度（a）和氧化還原電位（b）的變化。DMPO–OH和DMSO-O2自旋加合物的EPR譜（c）。生物擾動對MPS污染下河岸沉積物溶解氧濃度（d）和氧化還原電位（e）的影響。羥基生成率與DO（f）、Eh（g）和Fe2+濃度（h）之間的關(guān)系。*P<0.05。CK，沉積物;CKD，含有底棲動物的沉積物。

圖4、塑料球中代謝物的組成（a–c），以及通過隨機(jī)森林分析篩選的關(guān)鍵代謝物（d–f）。AD、生物堿及其衍生物;B，苯類;LL，脂質(zhì)和類脂分子;NNA、核苷、核苷酸及類似物;OAD，有機(jī)酸及其衍生物;ON，有機(jī)氮化合物;有機(jī)氧化合物（OO）;OHC，有機(jī)異源環(huán)化合物;PP、苯丙醇和多酮類。環(huán)中的紅色代表上調(diào)代謝物，綠色表示下調(diào)代謝物。

圖5、溶解氧（a）和氧化還原電位（b）的變化、?OH的生成速率（c）以及Fe2+的濃度（d）

結(jié)論與展望

本研究探討了利用底棲動物（蘇氏尾鰓蚓）增強(qiáng)河岸沉積物中微塑料（MPs）生物降解的新方法。微塑料因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和高聚合度，在自然環(huán)境中降解緩慢，已成為新興污染物。河岸沉積物作為微塑料的重要匯，其污染對生態(tài)系統(tǒng)健康構(gòu)成威脅。研究通過微宇宙系統(tǒng)模擬河岸環(huán)境，以聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）為典型微塑料，探究底棲動物生物擾動對降解的促進(jìn)作用。實驗設(shè)置包含有無底棲動物和不同微塑料類型的對照與處理組，通過監(jiān)測重量損失、表面形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)變化評估降解效果。研究結(jié)果表明，生物擾動顯著促進(jìn)了微塑料的降解（P<0.05）。與無底棲動物的沉積物相比，PS、PP和PLA的重量損失分別增加了2.08倍、2.19倍和1.68倍。通過掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，生物擾動導(dǎo)致微塑料表面裂紋增多，羰基指數(shù)和O/C比升高，表明其老化程度加劇。此外，微塑料的數(shù)均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）顯著下降，分散度（Mn/Mw）增加，證實了低分子量化合物的形成。本研究提出了微塑料的降解途徑·OH攻擊微塑料主鏈或側(cè)基，生成自由基中間體，隨后通過關(guān)鍵微生物（如奇古菌門和硝化螺旋菌門）的酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低分子產(chǎn)物。這一過程可能與沉積物中的硝化作用并行發(fā)生，揭示了生物地球化學(xué)循環(huán)的耦合效應(yīng)。

Unisense 超微呼吸系統(tǒng)是本研究中對沉積物微環(huán)境進(jìn)行高分辨率原位監(jiān)測的核心設(shè)備。在不同微塑料存在條件下，DO與Eh的同步監(jiān)測為機(jī)理研究提供配套數(shù)據(jù)，Unisense微電極在本研究中作為關(guān)鍵監(jiān)測設(shè)備，通過提供精確的微環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，從根本上支撐了生物擾動增強(qiáng)微塑料降解機(jī)制的闡釋，體現(xiàn)了高分辨率監(jiān)測技術(shù)在環(huán)境過程研究中的重要性。本研究證實底棲動物可通過耦合活性氧介導(dǎo)的化學(xué)氧化與關(guān)鍵微生物驅(qū)動的生物代謝，有效增強(qiáng)微塑料在河岸沉積物中的降解，為發(fā)展基于生態(tài)工程的微塑料污染修復(fù)策略提供了新思路。