水環(huán)境中附著在微塑料上的生物膜：理化特性和環(huán)境影響

時間：2021-11-23 08:12:29 來源：湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 作者：熊煒平

近日，湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院熊煒平副教授課題組在Journal of Hazardous Materials上發(fā)表了題為“Biofilm on microplastics in aqueous environment: Physicochemical properties and environmental implications”的綜述論文。本文綜述了生物膜的存在會改變微塑料的遷移和沉積，以及生物膜的存在將增強微塑料積累污染物的能力，如持久性有機污染物、重金屬和抗生素。此外，還總結(jié)了生物膜在微塑料富集有害微生物方面的作用。最后，提出了一些未來的研究需要和策略，以更好地理解微塑料上的生物膜問題。

引言

雖然塑料壽命長，但長期暴露在自然環(huán)境條件下，如太陽輻射、溫度變化、風(fēng)浪物理效應(yīng)和生物效應(yīng)，大的塑料碎片也會破碎成更小的碎片、顆粒。微塑料這一概念于2004年首次提出，通常被定義為尺寸小于5毫米的碎片。微塑料具有比表面積大、孔隙率高和疏水性強的特點，使得微塑料容易成為水環(huán)境中污染物和有害微生物的載體。在水環(huán)境中大量微生物群落的積累，微塑料表面會形成生物膜。由于微塑料與周圍自然環(huán)境基質(zhì)不同，微塑料生物膜具有獨特的特點，被認(rèn)為是一種新的生態(tài)位。生物膜通過物理、化學(xué)和生物行為改變微塑料的某些性質(zhì)，從而改變微塑料在環(huán)境中的行為和狀態(tài)。

圖1：微塑料進入環(huán)境的途徑。

微塑料顆粒以各種方式進入水（海洋和淡水）、陸地（土壤）和大氣環(huán)境。地表徑流、漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖是微塑料進入海洋的主要途徑。微塑料進入淡水環(huán)境的重要途徑是污水處理廠，其次航運、捕魚和大氣沉降也不容忽視。土壤中微塑料的來源包括農(nóng)業(yè)應(yīng)用污泥、廢棄農(nóng)膜的降解、垃圾填埋場和土壤改良劑等。另外，微塑料通過衣服和家具上的塑料碎片、建筑物中的材料、垃圾焚燒、垃圾填埋場、交通釋放的顆粒以及園藝土壤中使用的合成顆粒等進入大氣，合成紡織品的侵蝕和城市灰塵也是大氣中微塑料的重要來源。

圖2：微塑料對生物(a)和人類(b)的影響。

微塑料對水環(huán)境中動植物的生命活動有明顯影響。已有多項實驗研究了微塑料對藻類、橈足類、嚙齒類等生物的影響。在現(xiàn)有的研究中，微塑料主要通過兩種方式影響人體，即呼吸和進食。

圖3：微塑料上生物膜形成的過程。

微塑料由于其體積小、表面粗糙、疏水、半衰期長，很容易成為微生物定殖的有效基質(zhì)，形成了一個小型生態(tài)位，被稱為“塑料圈”。微塑料生物膜形成的過程大致為：可逆粘附；不可逆粘附；生物膜形成；脫落再定殖。

微塑料獨特的初始表面性質(zhì)聚集了不同于天然基質(zhì)的微生物，產(chǎn)生不同的EPS，從而形成獨特的生物膜。不同基質(zhì)表面形成的生物膜存在明顯差異，其中微塑料生物膜輪廓清晰、表面光滑。微塑料生物膜中的優(yōu)勢菌不同于其他生物膜，并且微塑料在生物膜表面的微生物多樣性明顯高于其他大顆粒。另外，微塑料生物膜中的群落也比周圍水環(huán)境多樣性更高。

生物膜中的微生物結(jié)構(gòu)包括多個層次的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性，影響生物群落在微塑料表面定殖的主要因素有三個，即環(huán)境因素、基質(zhì)性質(zhì)和附著生物的性質(zhì)。環(huán)境因素包括水環(huán)境的流動狀態(tài)、營養(yǎng)狀態(tài)、季節(jié)變化和pH值等�；�質(zhì)性質(zhì)包括微塑料種類、表面能、表面粗糙度、疏水性等。附著生物性質(zhì)包括微生物不同細(xì)胞器、微生物群落間的協(xié)同和競爭關(guān)系等。

生物膜對微塑料在水環(huán)境中的影響主要分為三方面，分別是遷移和沉積、污染物富集以及有害微生物富集。

生物膜厚度的增加將導(dǎo)致微塑料的尺寸和密度增加，表面疏水性降低，因此微塑料的浮力將發(fā)生變化，從而改變其輸送路徑，包括垂直和水平輸送。

漂浮在水面上的微塑料顆粒容易吸附集中在水-氣界面的污染物，微塑料強大的遷移能力擴大了污染物的污染范圍。微塑料表面形成生物膜的過程不可避免地改變了微塑料的性質(zhì)，并為微塑料在環(huán)境中的存在增加了新的變數(shù)。這些變化都為污染物的積累提供了更多的可能性，如持久性有機污染物、重金屬和抗生素。

微塑料是微生物的良好載體，因此附著生物膜的微塑料可以作為病原微生物的儲庫。在水環(huán)境中，微塑料不僅為病原微生物提供了新的基質(zhì)，還增強了病原微生物的運輸能力。

小結(jié)

根據(jù)對當(dāng)前研究內(nèi)容的總結(jié)和整理，未來研究需要考慮以下幾個方面：

大多數(shù)淡水環(huán)境是富營養(yǎng)化的，這意味著微塑料在淡水環(huán)境中形成生物膜的速度更快，微生物群落也更豐富。因此，需要加強城市湖泊和水庫微塑料生物膜的研究。

建立水環(huán)境中微塑料的統(tǒng)一、可靠的定量檢測分析方和微塑料生物膜群落的定性分析方法有利于更好評價預(yù)測微塑料環(huán)境污染和生態(tài)效應(yīng)。

微塑料在環(huán)境中的性質(zhì)、濃度會隨時間而變化，并且生物膜在微塑料上的附著通常持續(xù)很長時間。在后續(xù)研究中，適當(dāng)延長實驗周期，以更好地研究生物膜效應(yīng)的機理。

現(xiàn)場實驗方法可以更全面地探索不同環(huán)境對微塑料生物膜的影響，探索不同環(huán)境下微塑料生物膜的群落組成。

生物膜的存在會影響微塑料的表面性質(zhì)和毒性效應(yīng)。未來，需要加強探索附著在生物膜上的微塑料對營養(yǎng)水平較高的個體的影響。并且微塑料與生物膜和污染物的復(fù)合效應(yīng)可能顯示出更大的毒性，需要進一步評估復(fù)合污染的潛在環(huán)境風(fēng)險。

微生物在微塑料表面的定殖和生物膜形成過程還需要更深入的研究。進一步加深對微塑料與生物膜關(guān)系的認(rèn)識。