重庆大学陈一团队：微塑料的老化行为对河岸带沉积物DOM

第一作者：陈孟立

通讯作者：陈一教授

通讯单位：重庆大学环境与生态学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.128522

图片摘要

成果简介

近日，重庆大学陈一教授课题组在Journal of Hazardous Materials （IF=10.588）上发表了题为“Aging Behavior of Microplastics Affected DOM in Riparian Sediments: from the Characteristics to Bioavailability”的研究论文，探究了微塑料的老化行为对河岸带沉积物溶解性有机物（DOM）的结构性质和组成成分的改变，从而揭示了老化行为对DOM的生物可利用性及沉积物碳稳定性的影响。为微塑料在河岸带沉积物中长期积累对陆生生态系统和水生生态系统的风险评估提供了理论依据。

全文速览

本研究对比分析在有无微塑料积累、微塑料是否老化以及与微塑料的滞留时间等多种因素影响下DOM结构性质和组成成分以及微生物组成与代谢特性变化情况，揭示了微塑料会通过提高沉积物DOM的腐殖化程度和减少ATP的利用效率两种途径降低DOM的生物可利用性，而微塑料的老化行为会削弱其对DOM生物可利用性的抑制作用，并且进一步阐明了老化行为主要是通过改变沉积物DOM的组成来影响DOM生物可利用性对微塑料积累的响应。

引言

河岸带是微塑料重要聚集场所之一，并且来源于人类活动的微塑料在其中长期积累会改变河岸带的生态功能（例如碳库等），进而对河流生态系统产生较严重的安全风险。尽管已知微塑料在河岸带沉积物中长期积累会通过老化行为改变其性质，但是微塑料的这种老化行为对沉积物溶解性有机质生物可利用性的影响还不清楚。因此本工作通过对比分析原始微塑料与老化微塑料在沉积物中积累后DOM的结构性质与组成成分随时间的变化情况，并进一步通过数学模型与微生物技术解析微塑料的老化行为对DOM生物可利用性的影响机制。

图文导读

Figure.1 Changes of DOM bioavailability (a), cumulated CO2 emissions (b) and priming effect (c) during incubation periods. *, p<0.05.

Figure.2 Changes of DOM bioavailability (a), cumulated CO2 emissions (b) and priming effect (c) during incubation periods. *, p<0.05.

图1和图2表明：微塑料的积累促进DOM的小分子组分被微生物缩合成带有极性官能团的大分子物质，进而降低沉积物DOM的生物可利用性。已知老化微塑料溶出的DOM少于原始微塑料，并且这种微塑料源的DOM（例如聚合物单体和添加剂）通常具有生物毒性，因此微塑料对DOM生物可利用性的抑制作用会随着其老化而被削弱，进而导致河岸带二氧化碳的排放会有所增加，负激发效应有所减小。

Figure.3 Pathway for showing the effect of DOM characteristic properties on sediment PE based on structural equation model. The numbers represent the path coefficient. The number of R2 represent the coefficient of determination. C1, component 1; C2, component 2; C3, component 3; C4, component 4. The Goodness of Fit represent the adaption degree of this model.

本研究将DOM的性质分成了三组，即供电子能力、DOM组分以及DOM结构性质。通过偏最小二乘法结构方程模型（PLS-SEM）揭示了微塑料老化行为对沉积物环境碳稳定性的影响机制：微塑料的老化行为主要是通过影响DOM的供电子能力来改变DOM的结构，进而使DOM的组成发生变化，最终通过改变沉积物DOM的生物可利用性而影响沉积物环境中碳稳定性。

Figure.4 The importance of biochemical properties and fractions for DOM (a), DOM bioavailability (b), CO2 emissions (c), priming effect (d) based on random forest analysis during incubation period. *, P<0.05; **, P<0.01; ***, P<0.001. MSE, mean square error. Different colors represent DOM characteristic properties, deep green represent electron donating capacity, blue represent the fluorescent of DOM, light green represent the UV-Vis spectra of DOM.

基于PLS-SEM确定了影响DOM生物可利用性及沉积物环境碳稳定性的直接作用因素。随后本文进一步通过随机森林模型确定了最重要的影响因素：微塑料的积累和老化行为驱动的腐殖化作用是影响DOM生物可利用性的最主要因素，微塑料的干扰下腐殖酸类物质变化是影响沉积物碳稳定性的最主要因素。

Figure.5 Relative abundances of key enzyme classifications (identified by their EC number) for each step in the carbohydrate metabolism (a) and relative abundances of functional genes in the glycolysis process (b) in KEGG Orthology database of exposure to pristine and aging MPs in sediments. The significance of differences was tested using one-way ANOVA among three treatments. *, p<0.05; **, p<0.01.

与对照相比，微塑料的积累抑制了糖酵解过程（包括能量代谢和电子转移）。首先微塑料积累显著促进了3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性（参与NAD+和NADH的转化），其中老化微塑料对其的促进作用大于原始微塑料；其次，微塑料的积累抑制ATP分解相关酶的活性（包括己糖激酶、ADP依赖型葡萄糖激酶、ADP 依赖型磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶），微塑料的老化行为加剧了这种抑制作用，降低了ATP的利用效率。

小结

这项工作从微塑料老化的角度出发分析了DOM结构性质和组成成分的变化情况，明晰了微塑料的积累与老化行为对河岸带沉积物碳稳定性的影响，利用数学模型和微生物手段探究了影响机制，为保护河岸带的生态功能和水生生态系统安全提供了理论支撑。