《Journal of Hazardous Materials》：Biofilm Growth Is Insufficient to Retain Large Buoyant Microplastics in Constructed Wetlands
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本文针对人工湿地(CW)中浮力微塑料(MPs)的滞留难题，通过原位实验量化了生物膜季节性生长对三种常见浮力MPs（聚丙烯PP、发泡聚苯乙烯PS、低密度聚乙烯LDPE）垂直运移速度的影响。研究发现，尽管生物膜生长呈现明显季节性特征（春夏季生物量最高增加1972%），但并未导致浮力MPs发生沉降；PS微球甚至因生物膜附着出现上升速度增加的反常现象。该成果挑战了“生物膜致密度变化驱动MPs滞留”的传统认知，为完善淡水系统MPs运移模型提供了关键数据支撑。
在全球塑料污染持续加剧的背景下，污水处理厂(WWTP)排放的微塑料(MPs)已成为水体生态系统的重要威胁。人工湿地(CWs)作为自然生态处理技术，被广泛用于污水处理厂出水的深度净化，却也不可避免地成为微塑料向下游环境迁移的关键通道。尤其令人担忧的是，密度低于水的浮力微塑料（如常见的聚乙烯PE、聚丙烯PP等）难以通过自然沉降去除，极易穿透人工湿地系统，最终进入河流、湖泊甚至海洋环境。传统理论认为，水体中微生物在微塑料表面形成的生物膜可通过增加颗粒整体密度，促使原本浮动的微塑料下沉，从而增强其在人工湿地中的滞留效果。然而，这一机制在真实湿地环境中的有效性究竟如何？生物膜的生长是否存在季节性规律？不同聚合物类型、形状的微塑料在生物膜作用下的运移行为是否有显著差异？这些关键科学问题亟待通过严谨的野外实证研究来解答。
发表于《Journal of Hazardous Materials》的研究论文《Biofilm Growth Is Insufficient to Retain Large Buoyant Microplastics in Constructed Wetlands》针对这一知识空白开展了系统性研究。英国华威大学的研究团队创新性地采用原位孵化实验，将三种典型浮力微塑料（PP、PS、LDPE）置于实际运行的人工湿地中长达12个月，通过双月采样和长期追踪相结合的策略，首次量化了生物膜季节性生长对微塑料垂直运移速度的影响。
研究主要依托以下关键技术方法：首先通过原位孵化装置（嵌套网袋系统）实现微塑料在真实湿地环境中的长期暴露；利用结晶紫染色法(OD595)半定量测定生物膜生物量；扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌和微生物群落结构；自主设计的垂直沉降柱（1米高透明圆柱）结合高速摄像技术，精确测量微塑料的终端上升速度。实验特别关注了季节变化（温度范围9.9-23.8°C）和孵化时间（2-12个月）对生物膜发育和微塑料运移行为的影响。
3.1. 结晶紫染色法量化生物膜
研究发现生物膜生长呈现显著季节性差异，春夏季（5-7月）生物量达到峰值，较冬季最高增加1972%。长期孵化数据显示，生物膜积累在6个月左右达到平台期，随后出现停滞或下降趋势。聚合物类型显著影响生物膜附着能力，PS微球和PP颗粒的标准化生物膜附着量显著高于PP微球和LDPE薄膜。
3.2. 微塑料生物膜表面变化
SEM观察揭示了丰富的微生物群落结构，包括杆状和球状细菌、胞外聚合物(EPS)以及硅藻等。值得注意的是，孵化10-12个月的PS微球出现表面层劣化，暴露出底层泡沫结构，表明长期环境暴露导致聚合物老化。不同形状的微塑料呈现差异化生物膜分布模式，PP颗粒的中央凹陷处成为微生物富集热点。
3.3. 垂直上升速度
尽管生物膜广泛生长，但所有浮力微塑料均未发生沉降转变。原始微塑料的上升速度主要受密度和形状调控，PS微球最快(0.195±0.017 m/s)，LDPE薄膜最慢(约0.005 m/s)。生物膜生长对上升速度的影响因聚合物类型和季节而异：PP微球在6个月孵化后上升速度显著降低7.82%，而PS微球在秋季孵化后反而上升速度增加15.22%。统计分析显示，生物膜生物量(OD595)与上升速度之间无显著相关性，表明生物膜对浮力微塑料运移行为的影响不能简单用生物量增加来解释。
4.1. 人工湿地微塑料生物膜生长的时间变异
研究表明温度是驱动人工湿地中微塑料生物膜季节性动态的关键因素。春夏季的高温条件显著促进微生物生长，而冬季低温则抑制生物膜发育。这一发现与海洋、河口和淡水环境中的观测结果一致，证实了温度在微塑料生物膜形成中的普适性作用。
4.2. 微塑料物理特性在生物膜粘附中的作用
微塑料表面特性（聚合物类型、粗糙度、形态）显著影响生物膜附着。PS由于其较高的表面粗糙度和疏水性，支持更丰富的生物膜生长。微塑料形态同样重要，PP颗粒的凹陷结构为微生物提供庇护所，而LDPE薄膜的生物膜附着则受纵横比调控。这些发现强调了在预测环境微塑料归趋时，必须考虑材料物理特性的影响。
4.3. 生物膜形成对微塑料垂直速度的影响
本研究最关键的发现是：在真实人工湿地环境中，生物膜生长不足以导致浮力微塑料沉降。这一结果挑战了普遍认为的“生物膜致沉”机制，表明单一生物膜因素可能无法有效解释浮力微塑料在自然水体中的滞留行为。研究者指出，异质聚集（微塑料与悬浮沉积物结合）可能才是促使微塑料沉降的更主要机制。
4.4. 人工湿地中微塑料运移和归趋的意义
研究指出，人工湿地对浮力微塑料的滞留能力有限，可能成为微塑料向下游生态系统迁移的通道。同时，微塑料在人工湿地中的长期积累可能对系统功能产生潜在影响，包括改变基质理化性质、干扰微生物群落结构、影响植物生长和营养去除效率等。这些发现对人工湿地的设计、运行和风险管理具有重要指导意义。
该研究通过严谨的原位实验证实，在典型人工湿地水力停留时间内，生物膜生长 alone 不足以促使浮力微塑料发生沉降。这一发现挑战了现有微塑料运移模型的基本假设，强调了在预测微塑料环境归趋时需要考虑多种协同机制的必要性。研究结果为改进人工湿地设计以增强微塑料去除效率提供了科学依据，对制定有效的塑料污染控制策略具有重要意义。未来研究需要进一步探索异质聚集、植物截留和水动力条件等多元机制在微塑料滞留中的作用，为构建更高效的微塑料污染控制体系提供理论支撑。
