淡水环境中微塑料与生物膜的相互作用及其生态效应研究进展

李双双，蔡铭灿，汪庆，齐丽英，魏贺红，王纯

1. 河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；2. 北京工商大学/国家环境保护食品链污染防治重点实验室，北京 100048；3. 大连海洋大学/设施渔业教育部重点实验室，辽宁 大连 116023

近年来，微塑料（MPs）作为四大新污染物之一，受到广泛关注。在中国，传统污染物尚未得到有效控制，新污染物已经造成了新的环境问题，治理迫在眉睫。微塑料是指粒径很小的塑料颗粒以及纺织纤维，学术界将粒径小于5 mm 的塑料颗粒定义为微塑料（Li et al.，2018）。研究报道，从淡水到海洋，从城市到边远地区，从海滩到海底的沉积物，都发现了微塑料的存在（Katija et al.，2017）。2021 年，国家发展改革委、生态环境部联合印发《“十四五”塑料污染治理行动方案》（发改环资[2021]1298 号），加强塑料污染全链条治理，持续推动“十四五”白色污染治理取得更大成效。

据统计，全球每年塑料生产量超过3 亿吨，其中约10%流入了海洋，剩余90%有相当大一部分留在内陆及内陆水系统中。中国是全球最大的塑料材料生产国，仅2019 年，塑料加工制品为8.184×107t，废弃塑料高达6.3×107t，回收率不足40%（王琪等，2021）。微塑料不仅存在于所有的海洋环境中，它们也普遍存在于河流、湖泊、水库和其他类型的内陆水系统中（Lambert et al.，2018），同时生物膜是水体营养物质循环的主要场所，也于溪流、河流和湖泊中普遍存在，表明生物膜非常容易与水体中的微塑料接触，生物膜可能是第一种与微塑料接触的环境介质（Tang et al.，2018）。此外，已有研究表明微塑料与生物膜的相互作用影响淡水系统的正常功能，微塑料已成为影响水体生物膜的一种新污染物（Zhang et al.，2022）。

然而，目前淡水环境中针对微塑料的研究多集中在微塑料的来源、分布、归趋（褚献献等，2021）以及微塑料本身携带的或从环境中吸附的有毒有害物质的释放过程等（王晓卉，2020），少有研究微塑料与生物膜的相互作用。微塑料污染是否会影响生物膜微生物群落结构，进而影响其介导的碳和氮循环功能，有待深入研究。因此亟需探讨微塑料污染对水体生物膜的潜在毒性效应及机理，进而评估微塑料污染对水生态系统的潜在影响及风险。

1 微塑料的水环境污染现状

微塑料污染正成为整个地球表层生态系统最严重的威胁之一，受到世界多国政府的严重关切和科技界多学科的广泛研究（骆永明等，2021）。

环境中微塑料由于降水、地表径流等，超过一半微塑料汇入江河湖海，淡水系统受到严重危害。近年来，全世界淡水水体中微塑料污染调查研究工作陆续展开，研究人员对全世界多个位点的淡水环境进行检测，部分结果如表1 显示，中国西到青藏高原的淡水湖泊，北至内蒙古乌梁素海，东到长江，珠江等入海口，南至广西湟水河等淡水河流，均检测出微塑料，最高丰度为3.4×104ind·m-3；同时英国、俄罗斯、加拿大等的河流湖泊也都发现了微塑料，并且部分湖泊具有较高微塑料丰度，最高达到5.12×104ind·m-3。这表明微塑料广泛存在于各个河流湖泊中，内陆水域受到微塑料污染的严重威胁，这是因为陆源微塑料输送途径是内陆河流，内陆水域中微塑料污染主要的“汇”是湖泊（冯三三等，2021）。流域内人类活动产生的塑料垃圾是水体微塑料污染的主要来源，人类活动密集的湖泊和水库区域微塑料丰度也较高（熊雄等，2021）。

表1 国内外淡水环境中微塑料调查情况Table 1 Investigation of microplastics in freshwater environment at home and abroad

2 生物膜对微塑料迁移转化的影响

生物膜是由微生物（藻类、细菌、古生菌、真菌、原生动物等）及其次生代谢物和无机、有机沉淀物等形成复杂微型生态系统，生物膜作为上覆水与沉积物之间的关键生物界面，强烈影响着水生态系统中污染物的迁移转化过程（Wu et al.，2018；吴国平等，2019）。生物膜在水生态系统中分布广泛，所有浸没在水中的固体表面都会形成生物膜。微塑料是一种优良载体，微塑料上无处不存在生物膜（Rummel et al.，2017）。水环境中，微生物在微塑料表面定殖是一个快速的过程，通常发生在几分钟到几小时内（Harrison et al.，2014），即可快速形成生物膜。因此，本文提到的生物膜，包括其他固体基质表面的生物膜和微塑料表面生物膜。

生物膜会对微塑料的迁移转化过程产生影响。研究表明，微生物和微塑料之间的相互作用可以显著改变微塑料的性质，进而影响微塑料在水生态系统中的环境行为和归趋（Yokota et al.，2017）。

2.1 生物膜对微塑料垂向分布的影响

微塑料表面形成生物膜后，微生物附着会增加微塑料的密度和有效粒径，直接影响微塑料在水中的沉降状态（Nava et al.，2021；熊雄等，2021）。水体中密度低于水的微塑料通常会保持漂浮并随水流迁移，密度大于水的会沉降入水底沉积物中，但是生物膜的存在可以对这一过程产生显著影响。随着微塑料表面生物膜的形成，增进了生物膜和微塑料对悬浮性颗粒物的附着，导致微塑料表面颜色加深，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，由于微塑料聚合物种类不同，同一环境下其表面生物膜的结构不同，也会导致不同微塑料的垂向分布发生变化。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总量及微生物结构存在显著差异（付茜茜等，2021），最终影响微塑料的垂向分布。微塑料还可能与微生物一起并入杂性聚集体，引起浮力的变化，从而导致沉淀并影响微塑料的分布特征及归趋特性（Long et al.，2015）。因此，生物膜的附着会改变微塑料的垂向分布，一般表现为增加微塑料沉降的速度和深度。

2.2 生物膜对微塑料颗粒的富集作用

水环境中，生物膜对微塑料颗粒的吸收和释放，影响微塑料的水平迁移。生物膜具有复杂的三维空间结构，通道、孔洞结构在生物膜中普遍存在，这些结构有助于其捕获、拦截微塑料颗粒（Shabbir et al.，2020）。此外，生物膜可分泌大量胞外聚合物，与生物膜微生物紧密交织在一起形成网状结构，加剧生物膜对周围环境中污染物的吸附（张利文，2018），导致微塑料在生物膜表面的聚集。Huang et al.（2021）在南水北调中线工程的研究发现，生物膜中微塑料浓度显著高于周围水体，生物膜可作为微塑料的“汇”。Majumdar et al.（2014）针对生物膜吸附微塑料的研究表明，当有生物膜存在时，可以全部保留聚苯乙烯微塑料，而没有生物膜时，只有40%的微塑料颗粒被保留。这说明生物膜可以富集微塑料，因此相比于其他微生物群体，生物膜微生物面临更为严重的微塑料污染。但是，生物膜死亡后，其吸附的微塑料会再一次返回水体中（Kalčíkováa et al.，2021），也会影响微塑料的水平迁移。

2.3 生物膜对微塑料老化和降解的影响

微塑料可通过物理磨损、光降解、水解等物理化学过程导致老化，其中光降解是最快速和激烈的途径（Andrady，2017；吴小伟等，2021)。如图1 所示，微塑料表面生物膜可以通过覆盖微塑料和加快微塑料沉降，减少光照水层中微塑料受到的紫外线照射的强度和时长，减少导致老化的物理化学反应的时间，从而降低微塑料老化程度（Long et al.，2015；周倩等，2021）。然而也有研究认为微塑料表面生物膜在生长等过程中，微生物会加速破坏微塑料结构的完整性，导致微塑料表面粗糙度增加，裂痕数目增加（陈涛，2018），老化程度增加。

图1 微塑料生物膜对微塑料沉降的影响示意图Figure 1 Effects of microplastics assosciated biofilms on microplastic degradation

生物膜还可以加快微塑料的降解。微生物在微塑料表面的定殖会导致微塑料降解菌的富集，通过改变微塑料的亲水性等理化性质，进而加快微塑料的生物降解（Yuan et al.，2020；Niu et al.，2021）。生物膜还会产生可以打破聚合物内的碳原子共价键的酶，将微塑料作为碳源等进行吸收利用，加快生物膜生长发育，进一步加快微塑料的降解，但是生物膜对微塑料的降解过程似乎仅限于微塑料表面（Wen et al.，2015；Shabbir et al.，2020；Zhu et al.，2020）总之，生物膜可以影响微塑料老化，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对微塑料的综合影响所决定。

3 微塑料污染对生物膜的影响

3.1 微塑料对生物膜的毒害效应

微塑料污染可对生物膜微生物产生毒害效应。环境中微塑料作为高分子聚合物对水体中的各种生物（包括生物膜微生物）可造成危害（Franzellitti et al.，2019）。高浓度小尺寸的聚苯乙烯珠显著降低了生物膜的叶绿素a 的含量，降低生物膜的光合作用功能（Miao et al.，2019a）。微塑料作为载体，不仅吸附多种污染物，而且在迁移转化过程中释放污染物（Peng et al.，2020；Bhagwat et al.，2021），对生物膜造成影响，但影响多为负面影响。微塑料上携带的增塑剂等污染物质不但可以直接对微藻的生长发育产生胁迫，造成藻类物理损伤、营养消耗、渗透压增加等，影响其光合作用活性，而且还可以与微塑料结合，抑制细菌生物膜的生长和代谢，对生物膜产生毒害作用（Miao et al.，2019a；Prata et al.，2019；Liu et al.，2021）。

此外，微塑料对生物膜的影响，可能是多种因素共同作用的结果，如生物膜的生长发育阶段和微塑料的浓度、种类、尺寸等都可能造成评估结果的差异。不同生长发育阶段的生物膜对微塑料的敏感度不同，可逆附着期生物膜对微塑料最敏感，而成熟生物膜的胞外聚合物可以有效减轻微塑料的负面影响（陶辉等，2021）。不同种类微塑料表面形成生物膜的生物量，叶绿素a 总量均存在显著差异；不同种类微塑料的密度不同，在水体中深度不同，在一定程度上也会造成微塑料表面生物膜产生差异（Miao et al.，2021a）。聚乙烯和聚丙烯微塑料在淡水中培养后，聚乙烯微塑料表面生物膜的alpha多样性明显高于聚丙烯微塑料（Wang et al.，2021a）。

3.2 微塑料对生物膜微生物群落影响

微塑料污染可能改变生物膜微生物群落的组成。微塑料表面生物膜与周围水体中的微生物种类形态和功能存在显著区别，微塑料上附着的微生物的多样性明显小于周围水体（McCormick et al.，2014；Arias-Andres et al.，2018）。如图2 所示，一方面，微生物群落结构和丰度变化与其承载的特定的生态功能密切相关，尤其是与生物化学循环和降解相关的微生物（鞠志成等，2021）。Miao et al.（2019b）发现与天然基质相比，微塑料表面生物膜上圆杆菌科和玫瑰球菌的相对丰度显著提高。这可能是由于某些细菌具有降解微塑料及其衍生物的功能潜力，暗示了微塑料的存在可能会改变不同功能微生物之间的协作或竞争关系。另一方面，微塑料还可以通过改变微生物的生存环境，例如水体的物理特性或营养条件，从而间接影响微生物群落结构和多样性（黄艺等，2022）。此外，通过对聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等微塑料的研究，发现不同种类微塑料表面生物膜的微生物群落组成及相对丰度不同（Qiang et al.，2021；Vaksmaa et al.，2021；马新刚等，2022）。

图2 微塑料对生物膜微生物群落的影响示意图Figure 2 Effects of microplastics on microbial community of biofilms

微塑料对生物膜微生物群落的影响可以直接表现在酶活性和功能基因丰度的变化上。Zhang et al.（2022）研究沉水植物叶片表面生物膜发现，不同浓度的微塑料暴露，增加了超氧化物歧化酶的活性，还改变了微生物群落的结构和丰度。另外，聚乙烯微塑料的加入会导致生物膜的活力下降，电子转移相关基因浓度降低（Wang et al.，2022）。这表明从功能基因角度出发研究微塑料引起的生物膜微生物生态效应可能更为深入且有效（王朱珺等，2018）。微塑料对微生物的组成、结构及其酶活性改变的作用机制可能与某些重要的功能基因表达紧密相关，但是其作用机理尚未完全清晰，有待进一步研究。

3.3 生物膜对微塑料污染的适应

功能冗余性可能是生物膜适应微塑料污染环境的重要策略之一。生物膜的微生物种类组成复杂，生物膜可通过群落功能的冗余来应对外界干扰，以保持原有功能的可持续性（Liu et al.，2019）。Merbt et al.（2022）研究发现微塑料暴露导致岩石和沉积物等基质表面生物的原核和真核生物群落的组成和相对丰度发生了显著变化，但功能参数（即光合产量、呼吸和养分吸收效率等）却没有发生明显改变。Miao et al.（2019b）研究表明，在水体中，与天然基质相比，微塑料表面生物膜微生物群落结构发生改变，且氨基酸和维生素的部分代谢途径增加。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对抗生素更具有耐药性和耐受性，因此其在微塑料生物膜中繁殖的可能性会增加（Kumar et al.，2017；Wu et al.，2019），生物膜中有害微生物丰度等必然发生改变。这些结果均表明生物膜可以通过调整微生物群落结构对抗微塑料污染。但当环境胁迫程度超过一定耐受限度时，生物膜的功能也可能会发生改变。

4 微塑料对生物膜碳氮循环的生态效应

4.1 微塑料对生物膜碳循环影响

生物膜是水体初级生产力的主要贡献者，在水环境碳固定及营养循环中具有重要作用（Battin et al.，2016）。微塑料广泛存在于淡水水体中，与水体中生物膜广泛接触，产生相互作用，改变水体碳循环过程中内源碳的总量等，最终影响水体碳循环（段巍岩等，2021）。

值得注意的是，微塑料可以作为生物膜微生物群落的碳源。微塑料不仅可以作为微生物群落的有机碳底物，增加同化有机碳（AOC），加速细菌生长和生物膜形成，促进生物膜和水相之间的细菌分布的变化，而且还可以满足大部分细菌碳需求（Seeley et al.，2020；Chen et al.，2021；Conan et al.，2022）。研究表明，水体中生物膜可以大量富集微塑料，微塑料的积累不仅会导致生物膜总有机碳含量显著增加，明显改变水体生物膜结构，导致生物膜中叶绿素a 含量降低、氧化应激反应加剧等负面效应，导致生物膜对碳的吸收降低，进而影响碳循环（Miao et al.，2019a；Yang et al.，2022）。另外，不同微塑料表面生物膜上藻类叶绿素a含量和光能转换效率均有明显不同，但是当生物膜暴露在不同微塑料时，生物膜微生物群落结构改变，生物膜光合产量和呼吸作用效率却未有显著变化（李晨曦等，2020；Merbt et al.，2022）。

与此同时，微塑料通过为生物膜提供载体（图3），提高水体中生物膜的总量，增加生物膜对碳的吸收、利用和固定（Chen et al.，2022）。在微塑料、玻璃片和天然基质等底物上形成的生物膜，微生物群落结构、生物膜碳利用能力和碳代谢速率均有明显不同，说明生物膜在不同附着基质物上存在特异性和功能多样性，也表明微塑料是一个特定的生态位，会对水生态系统中微生物介导的碳循环产生影响（Miao et al.，2019b；Miao et al.，2021b）。

图3 生物膜附着在微塑料表面对水体碳循环的影响示意图Figure 3 Effects of biofilms attached to microplastics surface on carbon cycling in water

总之，微塑料不但能通过作为生物膜的载体和碳源等途径增强生物膜碳循环功能，还能导致生物膜因受损而减弱其介导的碳循环功能。现有研究表明微塑料对水体生物膜碳循环功能产生诸多影响，但其影响程度、过程与内在机理还有待深入研究。

4.2 微塑料对生物膜氮循环影响

水体中氮循环由一系列复杂的生物地球化学过程所驱动，包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用、氨化作用、厌氧氨氧化作用、硝酸盐异化还原为氨等（曾巾等，2007；祝贵兵，2020）。

水环境中，微塑料可以通过改变生物膜微生物的生存环境、微生物群落结构、生物膜总量等，影响水体氮循环（Arias-Andres et al.，2018；黄艺等，2022）。如图4 所示，微塑料在水中作为载体，为生物膜创造了更好的定殖条件，并且小粒径的微塑料表面更容易附着生物膜，形成异质聚集体，进一步促进水体中氨的氧化以及反硝化作用，影响生物膜氮循环功能（Chen et al.，2020；Wu et al.，2022）。

图4 微塑料对生物膜氮循环功能的影响示意图Figure 4 Effects of microplastics on biofilm nitrogen cycling

有研究表明，微塑料暴露会导致微生物群落结构改变，促进胞外聚合物分泌与活性氧产生，抑制氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的活性，且伴随活性氧的不断积累导致生物膜产生更强的氧化应激，生物膜中微生物细胞膜结构受损、细胞活力下降、蛋白质分泌异常，影响生物膜光合作用和呼吸作用，减弱生物膜氮循环进程（Wang er al.，2021b；Zhang et al.，2023）。

微塑料还可通过影响生物膜中氮代谢的酶和基因表达来影响氮循环进程。水体底层微塑料表面生物膜可以富集含有amoA 基因的功能菌，促进氨氧化成亚硝酸盐过程；水体中上层微塑料表面生物膜富集含有nxrA 和nxrB 基因的功能菌，促进亚硝酸盐氧化过程（Huang et al.，2022）。聚氯乙烯会抑制反硝化细菌数量和氧化亚氮还原酶基因丰度，进而影响亚硝酸盐总量及氮气的产生（Dai et al.，2020）。聚苯乙烯不仅可以促进反硝化过程和三羧酸循环，增强呼吸作用，还可以导致细菌反硝化相关基因的丰度降低，亮氨酸氨基肽酶等功能酶活性降低，严重影响硝酸盐还原及蛋白质降解的过程（Miao et al.，2019a；Hu et al.，2022）。水体中的小粒径微塑料，可能直接被水体中其他基质表面的生物膜吸入内部，增强过氧化氢酶等酶的活性，影响氨基酸代谢的途径，导致生物膜氮循环功能变化（Huang et al.，2019；Yang et al.，2022；Zhang et al.，2022）。

因此，微塑料会对生物膜生物量、蛋白质和基因丰度等产生影响，导致生物膜氮循环功能变化，但各途径对氮循环的影响程度并不一致，比如，微塑料对酶和基因丰度的影响大多导致生物膜氮循环功能降低，微塑料导致生物膜总量增加而导致生物膜氮循环功能增强。因此，上述途径对生物膜氮循环功能的具体效果和具体机理还需要进一步研究，得到更加全面和准确的内在机理解析。

5 总结与展望

综上所述，生物膜通过改变微塑料密度、吸附微塑料、改变微塑料的老化/降解程度等方式影响微塑料在水体中的迁移转化，同时，微塑料能改变生物膜生存环境、影响生物膜微生物群落结构与功能，并进一步影响生物膜调控水体中碳氮循环过程的生态效应。目前水体中微塑料与生物膜的相互作用方面虽取得一定进展，但仍面临巨大挑战。基于前人的研究，为了充分揭示微塑料生物膜互作机理及其在水环境中的影响，本文总结以下几点，以期为后续的研究提供思路。

1）现有研究表明水体生物膜对微塑料的迁移转化产生显著影响，但是仍需进一步探究生物膜对微塑料吸附、降解的动力学过程及其影响因素，以充分揭示生物膜影响微塑料的“水-沉积物-生物体”迁移转化的内在机理。

2）微塑料的种类、粒径、浓度等在不同研究中对生物膜的总量、微生物群落结构与功能、酶活性等有着不同影响特征，甚至出现截然相反的实验表现，因此，亟需在模拟真实水生态条件下，对微塑料参数、表面吸附污染物能力和水环境条件等因素进行综合考量，开展系统性实验，为水生态系统中微塑料污染防控和环境影响评价提供更全面与科学的理论支撑。

3）已有研究发现水体中微塑料对生物膜微生物群落结构和与功能产生显著影响，而生物膜是水体中营养元素循环的主要场所之一。因此，深入开展微塑料对生物膜碳氮循环功能微生物群落结构与功能的影响研究，将有利于客观揭示微塑料介导的水体生物膜碳氮循环的基本规律与互作机理，可为全面评估微塑料污染对水生态系统的综合影响提供有益参考。