《Journal of Hazardous Materials Advances》：Investigating Microplastic Adsorption by Natural Biofilms: Insights from the Metro River Ecosystem
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为应对淡水系统中微塑料污染的环境风险，本研究定量评估了印尼Metro河原位形成的自然生物膜对微塑料（HDPE，250–400?μm）的吸附作用。通过批量吸附实验结合动力学与等温线模型（伪二级动力学R2=0.981，Langmuir等温线R2=0.84），揭示生物膜对微塑料的最大吸附容量达0.112?g·wet-g?1，且FTIR分析表明羟基、胺基、羧基等官能团参与吸附过程。该研究证实自然生物膜可作为高效的微塑料临时汇，为理解淡水生态系统中微塑料的滞留、迁移及潜在再悬浮提供了关键依据。
微塑料（microplastic），通常指直径小于5毫米的塑料颗粒，已成为全球淡水生态系统的一大隐忧。这些难以降解的微小颗粒不仅会在水体中迁移扩散，还可能被生物摄入、累积于食物链中，最终对生态健康与人体安全构成威胁。然而，在自然水体中，除了“随波逐流”，微塑料还会遭遇哪些“羁绊”？最新研究表明，覆盖在河石、沉水植物等表面的生物膜（biofilm）——这些由微生物及其分泌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）构成的薄层——“暗藏玄机”，它们可能通过吸附作用，成为截留微塑料的“天然滤网”。那么，自然形成的淡水生物膜究竟能“捕获”多少微塑料？其背后的吸附机制又如何？为了解答这些问题，以Andi Kurniawan为首的研究团队，以印度尼西亚的Metro河为研究对象，开展了一项系统的定量研究，成果发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。
研究者们运用了以下几项关键技术方法：首先，从Metro河现场采集水样和附着于石头上的自然生物膜样本；其次，通过氧化消化、密度分离与光学显微镜技术，提取并鉴定了环境样本中微塑料的丰度与形态；再者，设计了批量吸附实验装置，使用尺寸分级的高密度聚乙烯微塑料碎片，系统研究了吸附动力学与等温线；最后，利用傅里叶变换红外光谱分析了生物膜在吸附前后官能团的变化，以阐明吸附机理。
研究结果
3.1. 生物膜与水体中微塑料丰度
分析发现，生物膜中微塑料浓度（9.5 ± 1.06 颗粒/湿克）远高于周围河水（0.0011 ± 0.00065 颗粒/克），表明生物膜是微塑料的有效富集区。形态学分析显示，水体中纤维状微塑料占主导，而生物膜中则以碎片为主，这可能与碎片的不规则形状和更大表面积更易被生物膜基质截留有关。
3.2. 吸附动力学
吸附过程呈现明显的时间依赖性：前30分钟内吸附量迅速增加至约0.035克/湿克，之后随接触时间延长（至120分钟）出现缓慢下降。这可能与微塑料的浮力效应以及持续搅拌下部分弱吸附颗粒的脱离有关。
3.3. 伪一级与伪二级动力学模型
动力学数据更符合伪二级动力学模型（R2 = 0.981），优于伪一级模型（R2 = 0.796）。这表明吸附过程主要由表面介导的物理化学相互作用（如静电吸引、氢键）控制，而非单纯的扩散过程。
3.4. 吸附等温线
吸附平衡数据符合Langmuir等温线模型（R2 = 0.84），表明吸附为单分子层覆盖，存在有限的结合位点。统计检验（t检验，p > 0.05）证实实验数据与Langmuir模型预测值无显著差异。
3.5. Langmuir等温线模型
线性化Langmuir拟合得出最大吸附容量（qmax）为0.112克/湿克，对应的Langmuir常数（KL）为0.062升/湿克。基于研究采用的颗粒密度换算，该容量相当于每克湿生物膜可吸附约2124个微塑料颗粒，远高于环境中观测到的背景值，说明生物膜仍有巨大的潜在吸附能力。
3.6. 吸附效率
吸附效率随初始微塑料浓度的增加呈指数下降。在低浓度（0.05克/升）时效率最高，约为45%-50%；当浓度升至0.5克/升时，效率降至约10%-20%。这反映了有限吸附位点的饱和效应。
3.7. FTIR（傅里叶变换红外光谱）分析
对比吸附前后的生物膜FTIR光谱发现，位于3400–3200 cm-1（羟基/胺基）、1700–1650 cm-1（羰基）以及1450–1400 cm-1（羧基）等区域的吸收峰强度和位置发生了明显变化，证实这些官能团通过氢键、静电作用等机制参与了微塑料的吸附过程。
结论与意义
该研究证实，自然淡水生物膜是高效且容量可观的微塑料“汇”。其吸附行为遵循伪二级动力学和Langmuir单层吸附模型，最大吸附容量显著高于环境本底值。FTIR光谱揭示了生物膜胞外聚合物中的羟基、胺基、羰基和羧基等官能团是关键的吸附位点。这项研究定量刻画了生物膜在截留淡水微塑料中的作用，为理解微塑料在河流系统中的滞留时间、迁移路径及潜在生态风险提供了关键数据。研究成果也启示我们，自然生物膜过程可作为一种潜在的自然基解决方案（nature-based solution）的组成部分，用于减缓淡水环境中的微塑料污染。未来的研究可进一步关注不同聚合物类型、环境流动条件以及长期稳定性对吸附行为的影响。
