淡水環境中微塑料與生物膜的相互作用及其生態效應研究進展

李雙雙，蔡銘燦，汪慶，齊麗英，魏賀紅，王純

1. 河北工程大學能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038；2. 北京工商大學/國家環境保護食品鏈污染防治重點實驗室，北京 100048；3. 大連海洋大學/設施漁業教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023

近年來，微塑料（MPs）作為四大新污染物之一，受到廣泛關注。在中國，傳統污染物尚未得到有效控制，新污染物已經造成了新的環境問題，治理迫在眉睫。微塑料是指粒徑很小的塑料顆粒以及紡織纖維，學術界將粒徑小于5 mm 的塑料顆粒定義為微塑料（Li et al.，2018）。研究報道，從淡水到海洋，從城市到邊遠地區，從海灘到海底的沉積物，都發現了微塑料的存在（Katija et al.，2017）。2021 年，國家發展改革委、生態環境部聯合印發《“十四五”塑料污染治理行動方案》（發改環資[2021]1298 號），加強塑料污染全鏈條治理，持續推動“十四五”白色污染治理取得更大成效。

據統計，全球每年塑料生產量超過3 億噸，其中約10%流入了海洋，剩余90%有相當大一部分留在內陸及內陸水系統中。中國是全球最大的塑料材料生產國，僅2019 年，塑料加工制品為8.184×107t，廢棄塑料高達6.3×107t，回收率不足40%（王琪等，2021）。微塑料不僅存在于所有的海洋環境中，它們也普遍存在于河流、湖泊、水庫和其他類型的內陸水系統中（Lambert et al.，2018），同時生物膜是水體營養物質循環的主要場所，也于溪流、河流和湖泊中普遍存在，表明生物膜非常容易與水體中的微塑料接觸，生物膜可能是第一種與微塑料接觸的環境介質（Tang et al.，2018）。此外，已有研究表明微塑料與生物膜的相互作用影響淡水系統的正常功能，微塑料已成為影響水體生物膜的一種新污染物（Zhang et al.，2022）。

然而，目前淡水環境中針對微塑料的研究多集中在微塑料的來源、分布、歸趨（褚獻獻等，2021）以及微塑料本身攜帶的或從環境中吸附的有毒有害物質的釋放過程等（王曉卉，2020），少有研究微塑料與生物膜的相互作用。微塑料污染是否會影響生物膜微生物群落結構，進而影響其介導的碳和氮循環功能，有待深入研究。因此亟需探討微塑料污染對水體生物膜的潛在毒性效應及機理，進而評估微塑料污染對水生態系統的潛在影響及風險。

1 微塑料的水環境污染現狀

微塑料污染正成為整個地球表層生態系統最嚴重的威脅之一，受到世界多國政府的嚴重關切和科技界多學科的廣泛研究（駱永明等，2021）。

環境中微塑料由于降水、地表徑流等，超過一半微塑料匯入江河湖海，淡水系統受到嚴重危害。近年來，全世界淡水水體中微塑料污染調查研究工作陸續展開，研究人員對全世界多個位點的淡水環境進行檢測，部分結果如表1 顯示，中國西到青藏高原的淡水湖泊，北至內蒙古烏梁素海，東到長江，珠江等入?？?，南至廣西湟水河等淡水河流，均檢測出微塑料，最高豐度為3.4×104ind·m-3；同時英國、俄羅斯、加拿大等的河流湖泊也都發現了微塑料，并且部分湖泊具有較高微塑料豐度，最高達到5.12×104ind·m-3。這表明微塑料廣泛存在于各個河流湖泊中，內陸水域受到微塑料污染的嚴重威脅，這是因為陸源微塑料輸送途徑是內陸河流，內陸水域中微塑料污染主要的“匯”是湖泊（馮三三等，2021）。流域內人類活動產生的塑料垃圾是水體微塑料污染的主要來源，人類活動密集的湖泊和水庫區域微塑料豐度也較高（熊雄等，2021）。

表1 國內外淡水環境中微塑料調查情況Table 1 Investigation of microplastics in freshwater environment at home and abroad

2 生物膜對微塑料遷移轉化的影響

生物膜是由微生物（藻類、細菌、古生菌、真菌、原生動物等）及其次生代謝物和無機、有機沉淀物等形成復雜微型生態系統，生物膜作為上覆水與沉積物之間的關鍵生物界面，強烈影響著水生態系統中污染物的遷移轉化過程（Wu et al.，2018；吳國平等，2019）。生物膜在水生態系統中分布廣泛，所有浸沒在水中的固體表面都會形成生物膜。微塑料是一種優良載體，微塑料上無處不存在生物膜（Rummel et al.，2017）。水環境中，微生物在微塑料表面定殖是一個快速的過程，通常發生在幾分鐘到幾小時內（Harrison et al.，2014），即可快速形成生物膜。因此，本文提到的生物膜，包括其他固體基質表面的生物膜和微塑料表面生物膜。

生物膜會對微塑料的遷移轉化過程產生影響。研究表明，微生物和微塑料之間的相互作用可以顯著改變微塑料的性質，進而影響微塑料在水生態系統中的環境行為和歸趨（Yokota et al.，2017）。

2.1 生物膜對微塑料垂向分布的影響

微塑料表面形成生物膜后，微生物附著會增加微塑料的密度和有效粒徑，直接影響微塑料在水中的沉降狀態（Nava et al.，2021；熊雄等，2021）。水體中密度低于水的微塑料通常會保持漂浮并隨水流遷移，密度大于水的會沉降入水底沉積物中，但是生物膜的存在可以對這一過程產生顯著影響。隨著微塑料表面生物膜的形成，增進了生物膜和微塑料對懸浮性顆粒物的附著，導致微塑料表面顏色加深，微塑料密度增加，使得微塑料的沉降速度加快（Lagarde et al.，2016）。但是，由于微塑料聚合物種類不同，同一環境下其表面生物膜的結構不同，也會導致不同微塑料的垂向分布發生變化。同一淡水湖中，在聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚乳酸的微塑料上，其表面生物膜的生物膜總量及微生物結構存在顯著差異（付茜茜等，2021），最終影響微塑料的垂向分布。微塑料還可能與微生物一起并入雜性聚集體，引起浮力的變化，從而導致沉淀并影響微塑料的分布特征及歸趨特性（Long et al.，2015）。因此，生物膜的附著會改變微塑料的垂向分布，一般表現為增加微塑料沉降的速度和深度。

2.2 生物膜對微塑料顆粒的富集作用

水環境中，生物膜對微塑料顆粒的吸收和釋放，影響微塑料的水平遷移。生物膜具有復雜的三維空間結構，通道、孔洞結構在生物膜中普遍存在，這些結構有助于其捕獲、攔截微塑料顆粒（Shabbir et al.，2020）。此外，生物膜可分泌大量胞外聚合物，與生物膜微生物緊密交織在一起形成網狀結構，加劇生物膜對周圍環境中污染物的吸附（張利文，2018），導致微塑料在生物膜表面的聚集。Huang et al.（2021）在南水北調中線工程的研究發現，生物膜中微塑料濃度顯著高于周圍水體，生物膜可作為微塑料的“匯”。Majumdar et al.（2014）針對生物膜吸附微塑料的研究表明，當有生物膜存在時，可以全部保留聚苯乙烯微塑料，而沒有生物膜時，只有40%的微塑料顆粒被保留。這說明生物膜可以富集微塑料，因此相比于其他微生物群體，生物膜微生物面臨更為嚴重的微塑料污染。但是，生物膜死亡后，其吸附的微塑料會再一次返回水體中（Kal?íkováa et al.，2021），也會影響微塑料的水平遷移。

2.3 生物膜對微塑料老化和降解的影響

微塑料可通過物理磨損、光降解、水解等物理化學過程導致老化，其中光降解是最快速和激烈的途徑（Andrady，2017；吳小偉等，2021)。如圖1 所示，微塑料表面生物膜可以通過覆蓋微塑料和加快微塑料沉降，減少光照水層中微塑料受到的紫外線照射的強度和時長，減少導致老化的物理化學反應的時間，從而降低微塑料老化程度（Long et al.，2015；周倩等，2021）。然而也有研究認為微塑料表面生物膜在生長等過程中，微生物會加速破壞微塑料結構的完整性，導致微塑料表面粗糙度增加，裂痕數目增加（陳濤，2018），老化程度增加。

圖1 微塑料生物膜對微塑料沉降的影響示意圖Figure 1 Effects of microplastics assosciated biofilms on microplastic degradation

生物膜還可以加快微塑料的降解。微生物在微塑料表面的定殖會導致微塑料降解菌的富集，通過改變微塑料的親水性等理化性質，進而加快微塑料的生物降解（Yuan et al.，2020；Niu et al.，2021）。生物膜還會產生可以打破聚合物內的碳原子共價鍵的酶，將微塑料作為碳源等進行吸收利用，加快生物膜生長發育，進一步加快微塑料的降解，但是生物膜對微塑料的降解過程似乎僅限于微塑料表面（Wen et al.，2015；Shabbir et al.，2020；Zhu et al.，2020）總之，生物膜可以影響微塑料老化，并加快微塑料的降解，但微塑料的老化和降解的程度由微塑料表面生物膜對微塑料的綜合影響所決定。

3 微塑料污染對生物膜的影響

3.1 微塑料對生物膜的毒害效應

微塑料污染可對生物膜微生物產生毒害效應。環境中微塑料作為高分子聚合物對水體中的各種生物（包括生物膜微生物）可造成危害（Franzellitti et al.，2019）。高濃度小尺寸的聚苯乙烯珠顯著降低了生物膜的葉綠素a 的含量，降低生物膜的光合作用功能（Miao et al.，2019a）。微塑料作為載體，不僅吸附多種污染物，而且在遷移轉化過程中釋放污染物（Peng et al.，2020；Bhagwat et al.，2021），對生物膜造成影響，但影響多為負面影響。微塑料上攜帶的增塑劑等污染物質不但可以直接對微藻的生長發育產生脅迫，造成藻類物理損傷、營養消耗、滲透壓增加等，影響其光合作用活性，而且還可以與微塑料結合，抑制細菌生物膜的生長和代謝，對生物膜產生毒害作用（Miao et al.，2019a；Prata et al.，2019；Liu et al.，2021）。

此外，微塑料對生物膜的影響，可能是多種因素共同作用的結果，如生物膜的生長發育階段和微塑料的濃度、種類、尺寸等都可能造成評估結果的差異。不同生長發育階段的生物膜對微塑料的敏感度不同，可逆附著期生物膜對微塑料最敏感，而成熟生物膜的胞外聚合物可以有效減輕微塑料的負面影響（陶輝等，2021）。不同種類微塑料表面形成生物膜的生物量，葉綠素a 總量均存在顯著差異；不同種類微塑料的密度不同，在水體中深度不同，在一定程度上也會造成微塑料表面生物膜產生差異（Miao et al.，2021a）。聚乙烯和聚丙烯微塑料在淡水中培養后，聚乙烯微塑料表面生物膜的alpha多樣性明顯高于聚丙烯微塑料（Wang et al.，2021a）。

3.2 微塑料對生物膜微生物群落影響

微塑料污染可能改變生物膜微生物群落的組成。微塑料表面生物膜與周圍水體中的微生物種類形態和功能存在顯著區別，微塑料上附著的微生物的多樣性明顯小于周圍水體（McCormick et al.，2014；Arias-Andres et al.，2018）。如圖2 所示，一方面，微生物群落結構和豐度變化與其承載的特定的生態功能密切相關，尤其是與生物化學循環和降解相關的微生物（鞠志成等，2021）。Miao et al.（2019b）發現與天然基質相比，微塑料表面生物膜上圓桿菌科和玫瑰球菌的相對豐度顯著提高。這可能是由于某些細菌具有降解微塑料及其衍生物的功能潛力，暗示了微塑料的存在可能會改變不同功能微生物之間的協作或競爭關系。另一方面，微塑料還可以通過改變微生物的生存環境，例如水體的物理特性或營養條件，從而間接影響微生物群落結構和多樣性（黃藝等，2022）。此外，通過對聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等微塑料的研究，發現不同種類微塑料表面生物膜的微生物群落組成及相對豐度不同（Qiang et al.，2021；Vaksmaa et al.，2021；馬新剛等，2022）。

圖2 微塑料對生物膜微生物群落的影響示意圖Figure 2 Effects of microplastics on microbial community of biofilms

微塑料對生物膜微生物群落的影響可以直接表現在酶活性和功能基因豐度的變化上。Zhang et al.（2022）研究沉水植物葉片表面生物膜發現，不同濃度的微塑料暴露，增加了超氧化物歧化酶的活性，還改變了微生物群落的結構和豐度。另外，聚乙烯微塑料的加入會導致生物膜的活力下降，電子轉移相關基因濃度降低（Wang et al.，2022）。這表明從功能基因角度出發研究微塑料引起的生物膜微生物生態效應可能更為深入且有效（王朱珺等，2018）。微塑料對微生物的組成、結構及其酶活性改變的作用機制可能與某些重要的功能基因表達緊密相關，但是其作用機理尚未完全清晰，有待進一步研究。

3.3 生物膜對微塑料污染的適應

功能冗余性可能是生物膜適應微塑料污染環境的重要策略之一。生物膜的微生物種類組成復雜，生物膜可通過群落功能的冗余來應對外界干擾，以保持原有功能的可持續性（Liu et al.，2019）。Merbt et al.（2022）研究發現微塑料暴露導致巖石和沉積物等基質表面生物的原核和真核生物群落的組成和相對豐度發生了顯著變化，但功能參數（即光合產量、呼吸和養分吸收效率等）卻沒有發生明顯改變。Miao et al.（2019b）研究表明，在水體中，與天然基質相比，微塑料表面生物膜微生物群落結構發生改變，且氨基酸和維生素的部分代謝途徑增加。此外，微塑料可吸附抗生素等污染物，而有害微生物比一般浮游生物對抗生素更具有耐藥性和耐受性，因此其在微塑料生物膜中繁殖的可能性會增加（Kumar et al.，2017；Wu et al.，2019），生物膜中有害微生物豐度等必然發生改變。這些結果均表明生物膜可以通過調整微生物群落結構對抗微塑料污染。但當環境脅迫程度超過一定耐受限度時，生物膜的功能也可能會發生改變。

4 微塑料對生物膜碳氮循環的生態效應

4.1 微塑料對生物膜碳循環影響

生物膜是水體初級生產力的主要貢獻者，在水環境碳固定及營養循環中具有重要作用（Battin et al.，2016）。微塑料廣泛存在于淡水水體中，與水體中生物膜廣泛接觸，產生相互作用，改變水體碳循環過程中內源碳的總量等，最終影響水體碳循環（段巍巖等，2021）。

值得注意的是，微塑料可以作為生物膜微生物群落的碳源。微塑料不僅可以作為微生物群落的有機碳底物，增加同化有機碳（AOC），加速細菌生長和生物膜形成，促進生物膜和水相之間的細菌分布的變化，而且還可以滿足大部分細菌碳需求（Seeley et al.，2020；Chen et al.，2021；Conan et al.，2022）。研究表明，水體中生物膜可以大量富集微塑料，微塑料的積累不僅會導致生物膜總有機碳含量顯著增加，明顯改變水體生物膜結構，導致生物膜中葉綠素a 含量降低、氧化應激反應加劇等負面效應，導致生物膜對碳的吸收降低，進而影響碳循環（Miao et al.，2019a；Yang et al.，2022）。另外，不同微塑料表面生物膜上藻類葉綠素a含量和光能轉換效率均有明顯不同，但是當生物膜暴露在不同微塑料時，生物膜微生物群落結構改變，生物膜光合產量和呼吸作用效率卻未有顯著變化（李晨曦等，2020；Merbt et al.，2022）。

與此同時，微塑料通過為生物膜提供載體（圖3），提高水體中生物膜的總量，增加生物膜對碳的吸收、利用和固定（Chen et al.，2022）。在微塑料、玻璃片和天然基質等底物上形成的生物膜，微生物群落結構、生物膜碳利用能力和碳代謝速率均有明顯不同，說明生物膜在不同附著基質物上存在特異性和功能多樣性，也表明微塑料是一個特定的生態位，會對水生態系統中微生物介導的碳循環產生影響（Miao et al.，2019b；Miao et al.，2021b）。

圖3 生物膜附著在微塑料表面對水體碳循環的影響示意圖Figure 3 Effects of biofilms attached to microplastics surface on carbon cycling in water

總之，微塑料不但能通過作為生物膜的載體和碳源等途徑增強生物膜碳循環功能，還能導致生物膜因受損而減弱其介導的碳循環功能?，F有研究表明微塑料對水體生物膜碳循環功能產生諸多影響，但其影響程度、過程與內在機理還有待深入研究。

4.2 微塑料對生物膜氮循環影響

水體中氮循環由一系列復雜的生物地球化學過程所驅動，包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用、氨化作用、厭氧氨氧化作用、硝酸鹽異化還原為氨等（曾巾等，2007；祝貴兵，2020）。

水環境中，微塑料可以通過改變生物膜微生物的生存環境、微生物群落結構、生物膜總量等，影響水體氮循環（Arias-Andres et al.，2018；黃藝等，2022）。如圖4 所示，微塑料在水中作為載體，為生物膜創造了更好的定殖條件，并且小粒徑的微塑料表面更容易附著生物膜，形成異質聚集體，進一步促進水體中氨的氧化以及反硝化作用，影響生物膜氮循環功能（Chen et al.，2020；Wu et al.，2022）。

圖4 微塑料對生物膜氮循環功能的影響示意圖Figure 4 Effects of microplastics on biofilm nitrogen cycling

有研究表明，微塑料暴露會導致微生物群落結構改變，促進胞外聚合物分泌與活性氧產生，抑制氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的活性，且伴隨活性氧的不斷積累導致生物膜產生更強的氧化應激，生物膜中微生物細胞膜結構受損、細胞活力下降、蛋白質分泌異常，影響生物膜光合作用和呼吸作用，減弱生物膜氮循環進程（Wang er al.，2021b；Zhang et al.，2023）。

微塑料還可通過影響生物膜中氮代謝的酶和基因表達來影響氮循環進程。水體底層微塑料表面生物膜可以富集含有amoA 基因的功能菌，促進氨氧化成亞硝酸鹽過程；水體中上層微塑料表面生物膜富集含有nxrA 和nxrB 基因的功能菌，促進亞硝酸鹽氧化過程（Huang et al.，2022）。聚氯乙烯會抑制反硝化細菌數量和氧化亞氮還原酶基因豐度，進而影響亞硝酸鹽總量及氮氣的產生（Dai et al.，2020）。聚苯乙烯不僅可以促進反硝化過程和三羧酸循環，增強呼吸作用，還可以導致細菌反硝化相關基因的豐度降低，亮氨酸氨基肽酶等功能酶活性降低，嚴重影響硝酸鹽還原及蛋白質降解的過程（Miao et al.，2019a；Hu et al.，2022）。水體中的小粒徑微塑料，可能直接被水體中其他基質表面的生物膜吸入內部，增強過氧化氫酶等酶的活性，影響氨基酸代謝的途徑，導致生物膜氮循環功能變化（Huang et al.，2019；Yang et al.，2022；Zhang et al.，2022）。

因此，微塑料會對生物膜生物量、蛋白質和基因豐度等產生影響，導致生物膜氮循環功能變化，但各途徑對氮循環的影響程度并不一致，比如，微塑料對酶和基因豐度的影響大多導致生物膜氮循環功能降低，微塑料導致生物膜總量增加而導致生物膜氮循環功能增強。因此，上述途徑對生物膜氮循環功能的具體效果和具體機理還需要進一步研究，得到更加全面和準確的內在機理解析。

5 總結與展望

綜上所述，生物膜通過改變微塑料密度、吸附微塑料、改變微塑料的老化/降解程度等方式影響微塑料在水體中的遷移轉化，同時，微塑料能改變生物膜生存環境、影響生物膜微生物群落結構與功能，并進一步影響生物膜調控水體中碳氮循環過程的生態效應。目前水體中微塑料與生物膜的相互作用方面雖取得一定進展，但仍面臨巨大挑戰?；谇叭说难芯?，為了充分揭示微塑料生物膜互作機理及其在水環境中的影響，本文總結以下幾點，以期為后續的研究提供思路。

1）現有研究表明水體生物膜對微塑料的遷移轉化產生顯著影響，但是仍需進一步探究生物膜對微塑料吸附、降解的動力學過程及其影響因素，以充分揭示生物膜影響微塑料的“水-沉積物-生物體”遷移轉化的內在機理。

2）微塑料的種類、粒徑、濃度等在不同研究中對生物膜的總量、微生物群落結構與功能、酶活性等有著不同影響特征，甚至出現截然相反的實驗表現，因此，亟需在模擬真實水生態條件下，對微塑料參數、表面吸附污染物能力和水環境條件等因素進行綜合考量，開展系統性實驗，為水生態系統中微塑料污染防控和環境影響評價提供更全面與科學的理論支撐。

3）已有研究發現水體中微塑料對生物膜微生物群落結構和與功能產生顯著影響，而生物膜是水體中營養元素循環的主要場所之一。因此，深入開展微塑料對生物膜碳氮循環功能微生物群落結構與功能的影響研究，將有利于客觀揭示微塑料介導的水體生物膜碳氮循環的基本規律與互作機理，可為全面評估微塑料污染對水生態系統的綜合影響提供有益參考。