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微塑料在白河流流带底泥中的分布特征及其对细菌群落的影响研究，发现平均丰度18.41±18.94 items·g?1，PET占比44%，小颗粒（<30 μm）占52%。揭示微塑料类型与尺寸通过改变环境因子间接调控细菌群落结构，其中PET与Acidobacteriota、Methylomirabilota呈显著正相关，而PP、PTFE存在负相关，MP多样性显著抑制细菌α多样性及群落结构。
卓张|孟洋杨|金喜 Song|南莉|陈俊航|唐斌|杨晨曦|卢傲然|杨世磊
中国陕西省西安市黄河流域环境模拟与生态健康重点实验室，邮编710127
摘要
微塑料（MPs）作为一种新兴污染物，广泛存在于河流中，并通过聚集和沉积等过程在河床沉积物中积累。它们对生态系统和生物构成威胁，显著影响细菌群落。然而，关于微塑料对河流河床沉积物中细菌群落影响的研究仍然相对有限。本研究调查了北洛河河床沉积物中微塑料的分布特征，并基于实地调查探讨了环境因素、细菌群落与微塑料之间的关系。结果表明，微塑料的平均丰度为18.41 ± 18.94个·g-1，属于中度污染。微塑料的主要聚合物类型是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，占44%），其中粒径小于30 μm的颗粒占多数。微塑料的性质，尤其是聚合物类型和粒径（<30 μm），是影响河床沉积物中细菌群落结构的关键因素。细菌对微塑料的反应表现出明显的聚合物特异性。酸杆菌门（Acidobacteriota）和甲基奇异菌门（Methylomirabilota）与PET呈正相关，而与聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）呈负相关。此外，微塑料的多样性与细菌α多样性显著负相关。偏最小二乘路径建模进一步表明，沉积物性质通过调节微塑料多样性和聚合物组成间接影响细菌群落，而微塑料多样性则显著抑制这些群落的结构和多样性。本研究为北洛河河床沉积物中微塑料的生态风险评估提供了重要见解，并揭示了微塑料对细菌群落的潜在影响。
引言
微塑料（MPs）作为一种新兴污染物，具有环境持久性、高迁移性和生物累积潜力[1]、[2]。其微小颗粒尺寸（<5 μm）使其具有强大的传输能力，能够通过河流从陆地来源输送到海洋环境[3]。然而，越来越多的证据表明，被河流输送的微塑料并非全部直接进入海洋，而是滞留在河床沉积物中，尤其是在地表水与地下水活跃交换的河床沉积物（即河床下层）[4]。该区域具有复杂的水动力条件和高度的沉积物异质性，通过沉积、聚集和河床下层交换等过程促进微塑料的积累[5]、[6]。这种滞留显著延长了微塑料在环境中的停留时间，可能加剧生态风险[7]。研究表明，河床沉积物是河流系统中微塑料的主要汇，其含量通常高于上层水体[8]、[9]。例如，在孟加拉国的苏尔玛河，沉积物中的微塑料含量（360–960个·kg?1）远高于水柱中的含量（5–20个·L?1）[10]，在中国黄河的研究中也观察到了类似的富集现象[11]。对中国玉龙河、法国艾因河以及印度西南海岸的沉积物研究也显示，微塑料含量超过1000个·kg?1，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）颗粒占主导[12]。然而，在洪水、河床扰动或河床下层交换强度变化等条件下，滞留的微塑料可能会重新悬浮并重新进入地表水[13]、[14]，使这一区域从暂时的“汇”转变为潜在的“二次污染源”[15]。因此，明确河床沉积物中微塑料的空间分布对于理解其环境命运和生态影响至关重要。
除了作为污染物的过滤器外，河床下层还是多样且代谢活跃的微生物群落的重要栖息地[16]。在动态氧化还原波动、活跃的碳氮循环以及丰富的有机物质的驱动下，沉积物中的微生物群落表现出高度的多样性和功能复杂性，尤其是在沉积物-水界面处生态活动最为活跃[17]。微塑料在该区域的积累可能通过改变栖息地物理结构或作为重金属和有机污染物等共存污染物的载体来干扰已建立的微生物网络，从而重塑群落组成和功能[18]、[19]。这引发了人们对微塑料生态效应的日益关注。
目前对微塑料与微生物相互作用的理解主要来自土壤和水生生态系统中的受控实验室研究[20]、[21]。这些研究表明，微塑料可以改变沉积物的物理化学性质，抑制关键酶活性（过氧化氢酶、多酚氧化酶和尿素酶），降低微生物多样性，并改变细菌群落结构[22]。PVC通常比PE对硝化过程的抑制作用更强[23]，而添加低密度PE已被证明可以改变微生物群落结构并促进碳排放[24]。然而，自然河流系统中的微生物是在复杂多变的环境条件下发育的，它们对微塑料的反应可能受到多种环境因素的调节。基于实地的证据表明，环境背景（如盐度梯度或季节性变化）可以影响微生物在微塑料上的定殖和群落演替[25]、[26]。总体而言，这些发现表明微塑料的生态效应高度依赖于具体环境，强调了在真实复杂河流环境中进行实地研究的必要性。
本研究聚焦于北洛河，该流域经历了快速的农业和工业发展，以及密集的人类活动[27]，导致了严重的微塑料污染[28]、[29]。微塑料主要富集在表层沉积物中，其中粒径小于500 μm的颗粒占主导[30]。本研究的目标是：（1）描述北洛河河床沉积物中微塑料的空间分布特征；（2）评估其潜在的生态风险；（3）阐明环境因素和微塑料特性在重塑沉积物细菌群落中的相对作用。这项研究旨在深入理解微塑料在河床下层的生态效应，并为流域规模的微塑料污染风险评估和管理提供科学依据。
研究地点
研究地点
北洛河是本研究的主要研究区域。它发源于陕西省榆林市的定边县，流经黄土高原，最终在关中平原与渭河汇合。北洛河是渭河的一级支流，也是黄河的二级支流。其总流域面积为2.69×104平方公里，河道长度为680公里，是陕西省境内最长的河流[31]。
沉积物性质
图S1显示了不同采样点沉积物的物理化学性质和营养成分。pH值范围为7.62至8.87，平均值为8.20 ± 0.12。溶解氧（DO）浓度范围为6.56至8.91 mg/L，平均值为7.60 ± 0.55 mg/L。总氮（TN）和总磷（TP）的范围相对较小，分别为0.10至0.40 g/kg和0.48至0.60 g/kg，平均值为0.18 ± 0.01 g/kg和0.54 ± 0.002 g/kg。总有机碳（TOC）的变化较大，范围较广。
北洛河河床沉积物中微塑料的分布特征
本研究发现北洛河河床沉积物中存在显著的微塑料污染。表层水中的微塑料可以通过沉积作用迅速沉降到沉积物中[45]，或通过与悬浮颗粒形成聚集体而沉积[46]。对于低密度、小粒径的颗粒，河床下层交换是它们在河床沉积物中积累的关键因素，这一过程受孔隙结构和水动力条件的影响[13]。同时，沉积物颗粒通过ζ电位吸附微塑料。
结论
研究结果表明，北洛河河床沉积物中微塑料的平均丰度为18.41 ± 18.94个·g-1，比以往报道的高出一个数量级。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）是主要的微塑料类型，其中粒径小于30 μm的颗粒占比最高。微塑料的分布表现出明显的空间异质性，中游和下游区域的丰度显著高于上游区域。
环境意义
研究表明，微塑料在河流河床下层的生态效应主要取决于其物理化学性质而非总体丰度。因此，风险评估应重点关注特定高风险聚合物（PET、PP）和小粒径微塑料（<30 μm）。作为微塑料积累和转化的关键区域，河床下层环境受沉积物性质和水动力条件的共同调控，这些因素共同决定了微塑料的传输和转化。
CRediT作者贡献声明
杨晨曦：方法学研究。唐斌：正式数据分析。陈俊航：方法学研究、调查工作。南莉：正式数据分析、概念构思。杨世磊：调查工作。卢傲然：调查工作。金喜 Song：监督、项目管理、概念构思。孟洋杨：撰写——审稿与编辑、方法学研究、数据管理。卓张：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、调查工作、正式数据分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成潜在的利益冲突：金喜 Song表示获得了国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的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重点项目（项目编号42230513）的支持。我们特别感谢编辑和匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见提高了手稿的质量。
