微塑料污染加剧了湖泊中氮富集的风险，同时影响着沉水大型水生植物的生存状况

《Journal of Hazardous Materials》：Microplastic pollution amplifies nitrogen enrichment risk in lakes across submerged macrophytes' survival status

氮循环中水生植物残体与微塑料的协同效应研究。通过控制水生植物存活状态（活体与残体）和微塑料浓度，分析其对沉积物氮转化与去除的影响。研究发现残体显著增加沉积物总氮（TN）、氨氮（NH4+）和硝氮（NO3-）含量，但 paradoxically 提升反硝化（Denitrification）、厌氧氨氧化（Anammox）及硝酸盐依赖性甲烷氧化（N-DAMO）的潜在速率，揭示植物残体双重作用机制。微塑料通过抑制生化过程而非改变微生物丰度，显著削弱氮去除效率。研究提出需通过调控水生植物分布及及时收割衰亡残体来缓解微塑料污染下的氮释放风险，为湖泊生态治理提供新思路。

　　

李晓伟|张雷|熊文|黄文敏|邢伟

教育部健康智能感知与河湖生态修复重点实验室，湖北工业大学，武汉430068，中国

摘要

湖泊沉积物中通过微生物过程实现的氮去除对于缓解富营养化至关重要。沉水植物可以调节氮循环，但它们的生存状态如何影响微塑料（MPs）污染下的沉积物氮动态仍不清楚。在这里，我们建立了一系列中型生态系统来研究沉水植物的生存状态（生物量与死亡生物量）和MPs浓度对氮转化和去除的协同效应。中型生态系统实验表明，死亡生物量通过矿化作用显著增加了孔隙水中的总氮（TN）、铵离子（NH??）和硝酸根离子（NO??）含量，然而却 paradoxically 增强了所有氮去除潜力（如厌氧氨氧化（Anammox）、反硝化作用（Denitrification）和N-DAMO），这突显了其作为氮源和去除促进因子的双重作用。MPs进一步增加了死亡生物量系统中的TN负荷，但在生物量系统中的影响有限。值得注意的是，所有氮去除潜力（Anammox、Denitrification、N-DAMO）在死亡生物量系统中显著更高。然而，MPs在不同程度上抑制了这些氮去除潜力，主要是通过干扰生化过程而非改变微生物数量，这一机制超越了以往的群落视角。总之，尽管死亡生物量的分解会增加内部氮负荷，但它也增强了氮去除的潜力——这一过程极易受到MPs的抑制。我们建议对沉水植物的分布进行战略性管理，并在衰老生物量分解前及时收割，以最小化氮释放，尤其是在受MPs污染的湖泊中。本研究阐明了沉水植物的生存状态与MPs污染在调节沉积物氮循环中的协同机制，为植物存活能力和新兴污染物对湖泊氮循环的相互作用提供了新的见解。

引言

湖泊是典型的水生生态系统，在全球氮循环中扮演着重要角色 [1]，[2]。氮（N）是控制水生生态系统结构和功能的关键元素 [3]，[4]，[5]，[6]。过去一个世纪中，氮肥的过度使用增加了地表氮的输入，这些氮通过河流和大气沉降进入水生生态系统 [7]，[8]。氮的富集导致藻类和其他浮游生物的快速繁殖，最终导致溶解氧含量下降和水生生物多样性的迅速减少 [9]。因此，从沉积物中去除氮对于管理氮排放和恢复水生植被至关重要 [10]。湖泊生态系统中去除无机氮主要有三种过程：反硝化作用、厌氧氨氧化（Anammox）和反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）[11]。这些过程将氮转化为N?，完成了氮转化的生态闭环。然而，不同的氮去除过程对外部生物和环境因素非常敏感，这限制了我们对它们在维持生态系统平衡和减少温室气体排放中的关键作用和具体贡献的理解。

沉水植物是重要的初级生产者，能够维持水生生态系统的稳定性，并能从上方的水体和沉积物中吸收氮 [12]，[13]。不同物种在氮吸收率和生物量生产效率上存在差异，并对氮循环有不同的影响 [14]。现有的关于沉水植物介导的氮循环的研究主要集中在物种差异上 [14]，但沉水植物的生存状态如何影响微生物组装和氮去除功能仍知之甚少。作为高效的微生物调节器，沉水植物可以通过物理拦截、吸收和根际相互作用减少沉积物中的氨和氮扩散 [15]。先前的研究表明，在梁子湖恢复沉水植物后，沉积物中的氮负荷减少了约30% [16]。相反，沉水植物的死亡生物量可能导致沉积物中的氮积累并通过快速矿化、厌氧环境塑造和微生物代谢释放到上层水中 [16]。值得一提的是，大多数沉水植物的生物量在冬季通常会完全枯萎，而死亡生物量可能成为湖泊中的潜在氮源，加剧富营养化的风险 [17]。因此，迫切需要进一步研究以明确沉水植物生存状态对湖泊氮去除效率的差异和潜在变化。这表明不同状态的沉水植物要么作为氮源，要么作为氮去除的潜在促进因子，挑战了之前仅关注单一生长状态的看法。

全球环境变化可能导致淡水生态系统中的干扰频率增加，导致沉水植物适应性变化，并改变其在时间和空间上的资源利用效率 [18]。环境污染物，如微塑料（MPs），可以通过影响生物生长和沉积物条件间接影响湖泊氮循环过程 [19]，[20]。塑料的广泛使用导致其在环境中的普遍存在 [21]。MPs可以通过抑制水生植物的生长来降低它们的初级生产力，并改变它们在调节水生生态系统氮循环中的作用 [22]。此外，MPs可能通过驱动微生物的功能重塑加速植物残体的降解。这一过程从而释放溶解有机碳，使环境酸化，并最终改变沉积物氮源的质量和数量 [23]，[24]。聚苯乙烯（PS-MPs）可以提高沉积物中的硝酸盐浓度，促进反硝化作用，并改变功能基因（如nosZ、nrfA）的丰度 [19]。此外，MPs的存在会干扰与氮循环相关的酶的活性，从而改变沉积物微生物群落的结构 [25]，[26]。然而，基于复杂环境和沉水植物生存状态的协同效应的沉积物氮去除过程研究仍然不足。因此，澄清这些问题具有重要的理论和实践价值。从理论上讲，这项工作可能揭示沉水植物生存状态和微塑料污染对沉积物氮循环的协同调节机制，阐明植物残余物在氮积累和去除中的双重作用，并分析MPs抑制氮去除过程的生化途径。这些见解将有助于深入了解在复合压力下湖泊生态系统的功能响应。从实践角度来看，这些发现将为管理富营养化湖泊和加强微塑料源控制提供直接的科学依据，从而有助于保护关键的微生物氮去除功能。因此，这项研究对于在全球变化和新兴污染物压力背景下维护湖泊生态系统健康和水环境安全至关重要。

为了确定沉水植物的生存状态对MPs污染下氮去除过程和相关微生物的影响，我们进行了一系列沉积物中型生态系统实验。实验考虑了沉水植物的生存状态，并使它们暴露在不同浓度的MPs中。为了具体研究植物状态的影响，我们使用了初始植物干重作为关键指标。这种方法允许在一致的初始生物量条件下评估沉积物物理化学性质和微生物变化对氮去除的影响。具体来说，本研究旨在在不同沉水植物生存状态和MPs污染条件下测试以下假设：（1）沉积物是否表现出氮去除或氮固定；（2）沉积物的物理化学性质和微生物群落是否会显著改变，以及是否存在差异；（3）通过改变沉积物性质和微生物组成是否可以显著影响沉积物中的氮去除潜力。我们计划通过以下实验来测试上述假设。

材料准备

该实验在武汉的一个温室中进行，位于长江中下游平原地区，该地区人类活动频繁，分布着许多富营养化湖泊。本研究中使用的沉积物来自武汉典型的富营养化湖泊——东湖 [27]。我们选择了两种沉水植物：Elodea densa 和 Hydrilla verticillata 作为栽培植物。这两种沉水植物能够迅速占据生态

结果

基于混合线性模型，我们发现沉水植物的生存状态对沉积物物理化学性质的影响大于微塑料含量和植物生物量（表S1）。沉水植物的生存状态与微塑料之间的相互作用也对总氮和硝酸盐含量有显著影响。死亡生物量系统中的总氮（TN）含量显著高于生物量系统（图1）。然而，增加的MPs含量

沉水植物的生存状态和微塑料协同调节沉积物的物理化学性质

氮转化和去除过程对湖泊水质和生态系统健康具有重要意义 [2]，[4]，[10]。厌氧氨氧化（Anammox）、亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（N-DAMO）和反硝化作用（DNF）作为各种环境中微生物氮去除的基本过程受到了全球关注 [3]，[11]。研究表明，湖泊沉积物中的氮去除速率受到沉水植物的显著影响

结论

本研究证实，沉水植物的生存状态是湖泊沉积物中氮动态的关键调节因子，而MPs广泛抑制了负责氮去除的关键微生物过程。沉水植物的死亡生物量显著增加了沉积物中的氮负荷（TN、NH??、NO??），并促进了厌氧氮循环细菌（如反硝化细菌和氨化细菌）的生长，增强了anammox、反硝化和N-DAMO的潜力。相比之下，

环境影响

我们的研究发现，MPs显著抑制了湖泊沉积物中的关键微生物氮去除过程（Anammox、Denitrification和N-DAMO），特别是在沉水植物死亡生物量存在的情况下，这种抑制作用尤为明显。这种生化途径的直接损害伴随着沉积物物理化学性质的变化和细菌共存网络的不稳定。这些干扰突显了MPs削弱生态系统恢复力的潜力

CRediT作者贡献声明

黄文敏：撰写——原始草稿，监督，数据管理。熊文：撰写——原始草稿，监督，调查。邢伟：撰写——原始草稿，监督，调查，资金获取，概念化。李晓伟：撰写——原始草稿，可视化，调查，资金获取，正式分析，数据管理。张雷：撰写——原始草稿，调查，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32570448、32500329、32470407）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性利益。