天津大学刘轶文课题组WR：可生物降解微塑料比传统微塑料加剧了城市湖泊沉积物的温室气体排放

文章简介

微塑料通常来自塑料废物的风化和老化，是目前最受关注的新兴污染物之一，并在陆地、水生和大气系统中大量存在。沉积物被认为是微塑料的重要汇。与传统的合成聚合物相比，尽管可生物降解塑料容易分解，但在极其耗时的过程中仍然可能产生大量的生物降解微塑料(BMPs)。 现有研究初步表明某些条件下，BMPs可能比NBMPs对生物体造成更深远的负面影响。因此，揭示BMP与NBMP的环境风险具有重要意义。

此外，人们还关注微塑料对沉积微生物群落和相关生物过程的影响，如微生物来源的温室气体(GHG)产生。淡水生态系统中温室气体的产生涉及一系列复杂的生物过程，易受人类活动产生的新型污染物等外部干扰。 因此，为了研究全球温室气体预算中淡水生态系统的时空动态和潜在的不确定性，需要改进对温室气体产量的低估。 然而，以往的研究大多只关注一种模型微塑料的单独影响，不符合多种不同微塑料在沉积物中共存的现实情况。

近日，He et al (2024) 在Water Research上发表论文"Biodegradable microplastics aggravate greenhouse gas emissions from urban lake sediments more severely than conventional microplastics"。该 研究将四种常见的 可生物降解微塑料(BMPs) 和四种传统的 不可生物降解微塑料(NBMPs) 人为暴露于城市湖泊沉积物中， 研究了N ₂ O和CH ₄ 产生的响应，并比较了微塑料的可生物降解性对温室气体排放的影响。

下图为本研究所展现结果和机理的摘要图：

主要内容

图1 潜在硝化速率、好氧N ₂ O生成速率以及不同微塑料暴露途径对N ₂ O生成的相对贡献

图2 潜在的反硝化速率、N ₂ O还原速率和不同微塑料暴露下的CH ₄ 生成速率

图3 微塑料长期暴露后20天沉积物微环境顶空N ₂ O和CH ₄ 浓度

图4 (A)在40天培养结束时，沉积物中DOC浓度百分比; (B) 与对照组相比，沉积DOM三个组分的相对荧光强度；(C) 三个组分的详细信息

图5 BMPs与NBMPs对微生物群落的影响: (A) 基于未加权Unifrac距离的PcoA; 对照和实验沉积物中的微生物在门水平(B)和在属水平(C)的分布

图6 对照和实验沉积物中代谢模块和关键酶的相对丰度; N ₂ O和CH ₄ 生成相关代谢途径示意图

主要结论

本研究通过一系列长期和批量测试，证明了典型BMPs与传统NBMPs对城市湖泊沉积物中温室气体产生的刺激作用。 主要结论如下：

(1) 在硝化过程中，BMPs的存在使N ₂ O产量提高了48.78 ~ 71.88%，但对硝化速率影响不显著。 在低剂量(0.2%)NBMPs暴露的沉积物中，N ₂ O生成速率也增加了25.69%。BMPs暴露后，沉积物中形成了更多的限氧微环境，促进硝化反硝化作用取代NH ₂ OH氧化作用，成为N ₂ O的主要贡献途径。

(2) 与对照组相比，在NBMPs组中仅检测到硝化菌反硝化作用略有增加。 BMPs组表现出更高的反硝化速率和N ₂ O还原速率， 这可能是由于BMPs和富集的反硝化菌产生了额外的有机碳基质;相反，由于NBMPs对硝化菌和反硝化菌的毒性抑制作用，沉积物的硝化和反硝化活性明显受到抑制。

(3) 虽然BMPs和NBMPs都促进了氢依赖的产甲烷途径，但前者比后者更显著地促进了CH ₄ 的产生， 因为BMPs暴露导致更多的有机碳底物和更高的甲烷代谢活性。

文章来源：

Yanying He, Yiming Li, Xianli Yang, et al. Biodegradable microplastics aggravate greenhouse gas emissions from urban lake sediments more severely than conventional microplastics, Water Research, Volume 266, 2024, 122334, ISSN 0043-1354.