Science：北师大学夏星辉团队评述微塑料/纳米塑料对地球生化循环的深远影响

来源：生物世界 2024-09-07 10:27

采用分子生物学、质谱分析、稳定同位素标记和建模等先进技术将有助于确定在微（纳米）塑料影响下不同环境中元素的命运和转化。

北京师范大学夏星辉教授在Science 期刊发表了题为：Element cycling with micro(nano)plastics 的评述文章（Perspective），评述了微塑料/纳米塑料在地球环境中对生物化学循环的深远影响。

微（纳米）塑料主要由碳组成，但也包括其他元素，例如聚酰胺中的氮、聚氯乙烯中的氯和生物基塑料中的氧。进入自然环境后，它们会在不同的环境，尤其是在土壤和沉积物中积累，这些积累会影响有机碳的储存。塑料，特别是可生物降解塑料，可以被微生物在不同环境隔室中用于新陈代谢。这些微生物过程还会产生和释放代谢物和有机碎屑。因此，这些过程会改变微生物群落的丰度、结构、功能和生化活性。反过来，通过改变微环境的碳供应，微生物可以影响生物地球化学碳循环。

微（纳米）塑料影响生物地球化学碳循环的途径是复杂的。例如，塑料可以通过目前尚不清楚的机制改变浮游植物的叶绿素含量，这可能会干扰光合作用。微（纳米）塑料还可以改变环境的理化性质，如土壤颗粒团聚体的组成和土壤的容重等。团聚体的变化可以改变土壤的孔隙空间，从而影响养分、气体和水分的运动以及微生物群落的活动。这反过来又会影响矿物与有机碳的结合过程，该过程影响碳在土壤中的保留程度或被生物消耗并释放到大气中作为CO2，从而间接影响土壤碳循环。最近发现的塑料-岩石复合物为微（纳米）塑料融入地质循环提供了进一步的证据，这种复合物是在塑料碎片不可逆地附着在母岩上时形成的。

在风化过程中，环境中的塑料会不断释放溶解性有机物。这些物质由复杂的烃类混合物组成，其中也可能掺杂着其他成分，包括制造过程中的各种添加剂和残留化学物质，以及单体、低聚物和聚合物降解产物。据一项保守估计，海洋表面微层中高达10%的溶解性有机碳可能来源于漂浮的塑料碎片。每年，多达23600吨的溶解性有机碳从塑料中渗入海洋。这种碳以及溶解性有机物中的低分子量和易变的脂肪族成分，甚至可能比天然溶解性有机物更有效地促进微生物生长。此外，微（纳米）塑料可以通过调节生物和非生物途径，间接改变土壤和水生系统中天然溶解性有机物的浓度和化学组成。微（纳米）塑料可以在土壤和水生系统中形成独特的颗粒有机物。

细胞外聚合物、天然溶解性有机物和其他有机大分子可以被吸附到微（纳米）塑料表面，形成所谓的 生态晕 。由塑料本身、塑料圈和生态晕组成的复杂微（纳米）塑料异聚体构成了颗粒有机物。这可能会使微（纳米）塑料对碳的储存和质量产生更大的影响，进而对微生物群落和碳循环产生影响。据估计，在海洋中，塑料圈约占开阔水面总微生物生物量的0.01%至0.2%。这可能会影响有机碳的运输，特别是深海中的垂直运输，并形成一个复杂的塑料圈-水界面，涉及微生物代谢和碳循环。

富含碳的微（纳米）塑料和塑料衍生的溶解性有机物也可能影响氮转化微生物群落（即氨氧化、硝化和反硝化功能微生物）。这很可能影响水域、沉积物和土壤中的微生物驱动的氮循环。由于碳为将硝酸盐还原为亚硝酸盐提供了电子供体，因此预计塑料衍生的碳会对反硝化产生影响。微（纳米）塑料对土壤结构和土壤团聚体的改变会影响氮循环，因为这会改变土壤的持水能力、通气条件和相关微生物群落的活性。塑料的类型、大小和浓度可能是控制微生物中氮转化过程速率的重要因素。可生物降解的微（纳米）塑料的影响往往与传统的化石基微（纳米）塑料不同。这可能是由于不同塑料聚合物对微生物群落的碳利用效率和定殖特性的差异所致。由于可生物降解的微（纳米）塑料在理论上能够迅速分解为二氧化碳和水，因此它们对氮循环的长期影响尚不确定。

微（纳米）塑料可以降解产生温室气体，并直接或间接地改变微生物在环境中产生温室气体的碳基质。例如，稳定同位素标记已经证实，可生物降解的微（纳米）塑料可以被微生物迅速矿化以产生二氧化碳。在仅进行425天的土壤培养后，聚丁二酸丁二醇酯塑料的矿化率达到59 4%至65 1%，而传统塑料的降解速度极慢，估计半衰期从几十年到数百年不等。此外，由于碳基质的增加（特别是溶解性有机碳）以及微生物群落和土壤特性的变化，一些研究报告称，含有微（纳米）塑料的土壤中的总体二氧化碳排放量有所增加。

甲烷排放也受到污泥、土壤和沉积物中微（纳米）塑料的浓度和聚合物类型的影响。然而，其程度和潜在机制仍不确定。微（纳米）塑料还可能根据存在的氮转化微生物类型、氮循环过程和碳氮耦合循环，改变水域、土壤和沉积物中的亚硝态氮（N2O）的产生和消耗。这些影响因塑料类型和大小而异，它们会改变N2O的产生速率和微生物途径，包括硝化、硝化菌反硝化和异养反硝化。此外，塑料圈层调节养分循环，从而具有调节温室气体产生的潜力，这一效应值得被进一步研究。

微（纳米）塑料对其他元素循环（磷、硫）的影响也才刚刚开始被研究。例如，微塑料可以动态地改变淡水中总磷和可溶性活性磷的含量，这可能是由于在塑料圈层中不同生物膜发育阶段有机磷和无机磷之间的微生物介导转化。同样，微（纳米）塑料也可能影响土壤磷循环。例如，含有可生物降解聚乳酸微塑料的沿海沉积物中的硫酸盐还原作用增强。这可能是由于塑料圈层中富集的脱硫弧菌将塑料降解，为还原反应提供电子供体。然而，关于微（纳米）塑料如何影响磷和硫循环的详细信息仍知之甚少。

图1. 微(纳米)塑料影响元素生物地球化学循环

更深入地讲，微（纳米）塑料可能影响生态系统的功能。例如，微（纳米）塑料对初级生产者（例如花卉和藻类）的复杂影响可能导致养分循环的改变，特别是氮和磷的循环，以及生态系统整体产生新生物量的速度。由于微塑料造成的外部物理损伤，淡水底栖无脊椎动物的生物扰动活动减少，这大大抑制了沉积物-水界面上的无机氮通量、有机物质矿化和二氧化碳排放。

微（纳米）塑料循环包括塑料运输模式以及它们在区域和全球范围内对不同地球系统隔室产生影响的生物地球化学过程。这些过程涉及微（纳米）塑料本身、塑料衍生的溶解性有机物、塑料圈层介导的生物和非生物过程以及其他尚不清楚的途径。挑战在于量化并充分了解微（纳米）塑料的发生、流动和转化如何长期改变地球系统不同隔室中元素的含量，特别是碳的含量及其通量。塑料碳对环境的影响可能会通过改变生物可利用碳的组成来改变储存的有机碳的总体浓度和性质。识别和量化微（纳米）塑料至关重要，同时还需要将这些信息纳入全球生物地球化学循环模型。关于纳米塑料对碳和其他元素生物地球化学循环的影响的研究还不够充分。

采用分子生物学、质谱分析、稳定同位素标记和建模等先进技术将有助于确定在微（纳米）塑料影响下不同环境中元素的命运和转化。这些结果可能会受到长期受控户外模拟和现场规模研究的影响。在更长的暴露期内，现场试验可以更好地评估微（纳米）塑料污染的实际影响。需要研究气候驱动效应（如温度升高、热浪和湿度增加）对微（纳米）塑料命运的影响，以及它们对元素生物地球化学循环和气候对塑料污染反应的影响。应更多地关注塑料圈层-微生物界面、微（纳米）塑料积累的环境热点（严重污染的农业和工业土壤、垃圾填埋场、水生沉积物、深海）以及生态脆弱地区。了解微（纳米）塑料在区域和全球范围内产生的详细后果将对政策制定和塑料污染问题产生重大影响。

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