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微塑料材质影响水生生物膜发育及氮循环机制研究。通过PLA、PE、PVC三种材料对比实验，发现可降解PLA促进叶绿素a合成及氮循环菌群富集，其代谢偏好糖类；非降解PE/PVC则增强污染物降解能力，PVC富集铜依赖型硝酸盐还原酶基因。揭示了材料降解性通过改变表面微环境调控生物膜群落结构及氮代谢功能
李双双|张轩|郑宇|宋岩|王春
河北工程大学能源与环境工程学院，河北省空气污染成因与影响重点实验室，河北省污水处理与资源化工程技术研究中心，邯郸市，056038，中国
摘要
关于微塑料（MPs）对水生生态系统的影响已经有了广泛的研究，但对其材料类型如何影响表面生物膜的形成及相关营养循环的关注相对较少。本实验研究了三种类型的微塑料：可生物降解的聚乳酸（PLA）、不可生物降解的聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC），发现PLA表面生物膜中的叶绿素a（Chl a）含量较高，并且这三组微塑料之间的微生物群落结构存在显著差异。PLA组中富集了参与氮循环的Niveispirillum和Flavobacterium菌属，这些菌属在实验第55天时与微生物多样性的增加和群落结构的变化呈正相关。相比之下，PE和PVC组中富集了具有污染物降解能力的Sediminibacterium菌属。对氮循环相关基因的分析表明，PLA组中硝酸盐还原酶基因（nirS）的水平始终较高，而PVC组在实验中期则表现出含铜硝酸盐还原酶基因（nirK）的显著增加。功能预测分析还显示，PLA组在糖酵解等能量代谢途径上有所富集，表明表面微生物更倾向于利用糖作为碳源和能源。相反，PVC组更依赖于氨基酸代谢，其生物合成途径中L-色氨酸和L-鸟氨酸的含量较高。PE组具有较强的有机污染物降解能力，因为表面微生物能够通过分解复杂有机物来适应疏水环境。我们的研究结果表明，可生物降解的PLA与不可生物降解的PE/PVC对表面生物膜的形成和生态功能具有不同的影响，突显了微塑料生物降解性在调节这些结果中的关键作用。
引言
作为全球范围内的环境污染物，微塑料由于其较高的生态风险和对公共健康的潜在不良影响而受到越来越多的科学关注。目前，对于微塑料的定义尚未达成共识。例如，一些研究将其定义为直径小于5毫米的颗粒（Qiu等人，2022年），而另一些研究则将其限制在微米范围内（1微米-1毫米）（Hartmann等人，2019年）。由于微塑料的环境持久性和小尺寸，它们容易被水生环境中的各种成分吸附，从而进入水生生态物质循环和能量传递过程。此外，微塑料还作为细菌的载体，对有机污染物和重金属具有显著的吸附能力（Jawdhari等人，2024年；Yan等人，2024年），这使得微生物和污染物能够在它们的表面定向积累。微塑料创造了独特的微生境，调节了表面生物膜的形成及其氮循环。除了它们的物理和化学性质外，微塑料与周围微生物群落之间的相互作用，特别是在生物膜背景下，已成为研究的焦点（Rozman等人，2021年）。
在水生生态系统中，微生物繁殖并分泌特定的多糖基质，形成包裹细菌群落的基质。这一过程导致生物膜的发展，这些生物膜具有不可逆的附着特性，能够附着在惰性和生物活性表面上，包括微塑料表面。微塑料独特的表面性质为微生物定殖提供了有利条件，使它们成为调节元素循环的关键界面（Flemming等人，2016年）。这些生物膜积极参与关键的氮循环过程，如硝化、反硝化和固氮作用，通过内在的微生物代谢活动（Li等人，2017年）。氮循环对于维持水生生态系统的稳定性至关重要，因为它调节了氮的形式并调控了初级生产者的营养供应。然而，新的证据表明微塑料可以改变生物膜微生物群落及其功能潜力（Fortin等人，2025年），但微塑料的材料特异性特征如何调节生物膜介导的氮循环仍不甚清楚（Huang等人，2025年）。
可生物降解的微塑料（如PLA）在水解过程中可以逐渐释放有机碳源（Bao等人，2025年），可能为微生物群落提供持续的能量来源。相比之下，不可生物降解的微塑料（如PE和PVC）由于其高化学稳定性，可以通过表面吸附选择性地富集特定的功能微生物组合（Huang等人，2023年）。例如，PLA的降解产物（如乳酸）可能促进与碳水化合物代谢途径相关的微生物增殖（Li等人，2025年）。相反，PVC的氯化结构可能会抑制某些细菌种类的生长，同时选择性地促进耐毒素微生物群体的增殖（Zhang等人，2022年）。此外，表面疏水性的差异会影响微生物的附着效率。高疏水性的PE可能需要胞外聚合物物质（EPS）来促进附着，而亲水性的PLA可能直接增强微生物的定殖。然而，这一假设尚未通过实验研究得到验证。
越来越多的证据表明，不同类型的微塑料可以通过改变局部微环境条件来调节功能基因的表达（Muratore等人，2023年）。例如，富氮环境可能促进反硝化基因（nirS/nirK）的表达（Pold等人，2025年），而缺氮条件可能诱导固氮基因（nifH）的激活（Suyal等人，2019年）。尽管硝化菌、反硝化菌和固氮菌在决定氮转化效率中起关键作用，但不同材料的微塑料是否通过其表面性质对功能微生物群落产生协同效应仍不清楚（Wang等人，2025年）。
在这项研究中，我们进行了针对三种典型微塑料（PLA、PE和PVC）的水生环境微宇宙系统实验。研究目标有三个：（i）阐明不同类型微塑料对表面附着生物膜的发展结构和生理动态的影响；（ii）探讨具有不同降解性和表面特性的微塑料对微生物群落组成、多样性和共现模式的影响；（iii）阐明微塑料材料对氮循环相关功能基因和微生物代谢途径的调控作用。这项研究旨在为评估可生物降解和不可生物降解微塑料的生态风险提供科学依据，并为制定有针对性的预防和控制策略以减轻水生生态系统中的微塑料污染提供理论支持。
实验部分
生物膜接种物收集
实验用的生物膜样本取自中国邯郸市龙湖（36°36′N, 114°31′E）的岩石表面。从淡水湖中采集的样本立即储存在无菌冰盒中，并运输到实验室以保持生物膜的结构完整性。生物膜接种物的预处理程序在实验室中进行，具体方法见文本S1。接种和培养所使用的WC培养基（Woods Hole培养基）的详细成分
生物膜的结构形态
在本研究中，使用扫描电子显微镜（SEM）（图1a、b、c）观察了在不同微塑料（PLA、PVC、PE）上形成的生物膜的初始形态，以阐明材料内在性质如何影响微生物定殖。PLA组的生物膜呈现出松散的结构，具有细小的纤维网络作为10微米级别的支架，观察到微生物细胞之间存在明显的细胞间隙。在500微米的视野下，纤维网络
结论
总之，微塑料对水生生态系统的影响主要受其材料特性的控制，可生物降解的PLA微塑料比不可生物降解的PE和PVC微塑料具有更显著的生态效应。PLA的生物降解性使其能够水解成乳酸衍生物，从而增加微生物多样性，富集氮循环菌属（Niveispirillum、Flavobacterium），并维持较高的nirS水平，同时其相关微生物更倾向于碳水化合物代谢和尿素代谢
作者贡献声明
李双双：撰写 – 审稿与编辑，资源准备，概念构思。张轩：撰写 – 原稿撰写，可视化，实验研究，正式分析，数据管理。郑宇：实验研究，正式分析，数据管理。宋岩：可视化，实验研究，数据管理。王春：撰写 – 审稿与编辑，资源准备。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了河北省自然科学基金（D2025402038）、北京市自然科学基金（6242003）以及北京市教育委员会科技计划项目（KM202410011003）的支持。
