硫化物诱导的可降解塑料和传统微塑料转化对沉积物中二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）排放的差异性影响：其中涉及的微生物组介导机制

《Environmental Research》：Differential effects of sulfide-induced transformation of biodegradable and conventional microplastics on sedimentary CO 2 and CH 4 emissions: Underlying microbiome-mediated mechanisms

微塑料老化过程中硫醇化对沉积物CO2和CH4排放的影响及微生物机制研究。通过对比硫醇化处理的PLA和PE，发现PLA-S降低CO2排放61.5%，与酸胁迫适应菌群相关；PE-S增加CH4排放36.7%，与烷烃降解菌增殖有关。揭示了材料类型与老化过程共同作用下的碳循环影响机制。

　　

Jinying Hu|Wenjuan He|Zhexi Liu|Qi Qiao|Lizi Zhao|Yuanyuan Li|Mengyu Ma|Hanbo Yu|Lin Shi|Jinhui Huang

湖南大学环境科学与工程学院，中国长沙410082

摘要

微塑料（MPs）在沉积物中的积累带来了严重的生态风险。尽管硫化是厌氧环境中的关键老化过程，但其对沉积物中二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）排放的影响以及背后的微生物组介导机制仍不清楚，尤其是对于可降解微塑料和传统微塑料而言。通过将原始聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA）分别进行硫化处理并培养沉积物，发现不同材料在碳相关温室气体排放方面表现出不同的模式，这主要由特定微生物的反应驱动。与对照组相比，原始PLA使二氧化碳和甲烷的累积排放量分别增加了4.47倍和2.59倍，由于快速释放碳，甲烷排放峰值也提前出现。相反，经过硫化处理的PLA（PLA-S）则逆转了这一趋势，二氧化碳排放量减少了61.5%。这种抑制作用与富集的微生物组（如酸杆菌门、酯水解粘球菌门）有关，这些微生物适应了酸性环境、能够进行固氮并具有致病性，可能改变了碳的流动路径。相比之下，经过硫化处理的PE（PE-S）表面发生了氧化，导致甲烷排放量增加了36.7%，同时溶解有机碳（DOC）和微生物代谢商（qCO₂）也有所增加。这些变化与烷烃降解菌门（Methylomirabilota）和杆菌门（Bacillota）的富集相关，它们可能将塑料中的碳转化为甲烷。这些发现强调了在评估微塑料的生态风险及其在二氧化碳和甲烷排放中的作用时，需要考虑其自然老化过程（如硫化）和材料类型（可降解 vs. 传统）的重要性，揭示了微塑料与全球碳循环之间的关键微生物组机制。

引言

全球塑料产量的迅速增加（目前每年约为4亿吨[1]，[2]）使得塑料污染成为一个严重的环境问题。大量释放到自然环境中的塑料通过机械、光解、热解和生物降解作用分解成微塑料（MPs，<5毫米）。微塑料来源于多种途径，如塑料分解、化妆品、纺织品和工业排放[6]。近年来，由于微塑料在多种环境介质中的广泛分布及其潜在的生态影响，环境污染研究越来越关注它们[7]。实际上，微塑料遍布各种环境介质中，渗透到海产品[8]、商业盐[9]、城市大气[10]、湖泊生态系统[11]，以及沙漠[12]、极地地区[13]和深渊沟壑[14]等偏远地区。生物量的积累和污染物的吸附会增加其密度[15]，[16]，[17]。因此，即使初始密度较低的微塑料也有可能在沉积物中沉积和积累[18]。

可降解塑料被认为是减少塑料污染的有效途径，因为它们比传统合成聚合物更容易分解。然而，由于在自然条件下完全分解需要很长时间[19]，[20]，可降解塑料在特定时间内也可能产生大量的可降解微塑料（BMPs）。这些可降解微塑料在沉积物中的分布和持久性可能与传统不可降解微塑料（NBMPs）相当[21]，[22]，[23]。可降解微塑料通常含有更多的含氧官能团和反应性表面，这可能增加它们与污染物和生物体的相互作用，在某些情况下带来更大的生态风险[24]，[25]，[26]。

以往关于微塑料老化的研究主要集中在有氧水生环境或表层土壤中的机制，例如太阳辐射[27]，[28]，[29]。相比之下，厌氧环境（如沉积物-水界面）中的老化过程仍知之甚少。在富含硫酸盐的厌氧环境中，硫化引起的转化是一个关键的老化途径，其中硫化物（如H₂S）可以通过自由基氧化和亲核加成改变微塑料的表面性质和环境命运[30]。尽管已知硫化可以增强微塑料对重金属的吸附[31]，[32]，但其更广泛的环境影响，特别是对二氧化碳和甲烷排放及相关微生物机制的影响仍不清楚。本研究旨在通过探讨硫化处理的可降解微塑料和传统微塑料如何不同地影响沉积物中的二氧化碳和甲烷排放以及背后的微生物组介导过程来填补这一空白。

人们越来越关注微塑料对沉积物中二氧化碳和甲烷排放的潜在影响。淡水生态系统贡献了全球自然甲烷（CH₄）排放量的20.6%–32.8%[33]，其中沉积物中的微生物活动（如甲烷生成和反硝化作用）是这些温室气体的主要来源。然而，硫化修饰的微塑料在厌氧环境中的老化过程对沉积物中二氧化碳和甲烷排放的潜在影响尚不清楚。我们假设硫化引起的老化会改变传统聚乙烯和可降解聚乳酸微塑料对二氧化碳和甲烷产生的影响，这种影响取决于材料表面的变化，从而导致微生物群落功能的相应变化。

样本采集地点

2024年6月，我们使用金属铲和柱状采样器从湘江长沙段（东经112°57′39.422″，北纬28°11′6.091″）采集了河流表层沉积物（0–5厘米深度）。根据He等人（2024年）[34]的研究，湘江沉积物中微塑料的平均含量为288 ± 60个/千克。用于实验的沉积物中检测到的微塑料浓度为184个/千克，表明该地区的微塑料污染相对较低。

微塑料的形态和官能团

扫描电子显微镜（SEM）显示，硫化对聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA）微塑料都造成了物理损伤，但程度不同（图1）。PLA出现了深度裂纹、明显的破碎和厚度减小，表明其环境脆弱性较高[42]。相比之下，PE仅表现出有限的变形，有一些微裂纹和表面粗糙。这种差异源于它们不同的化学结构：PE稳定的C-C主链更具抗性

硫化处理的PE和PLA微塑料对二氧化碳和甲烷排放的不同影响：机制与意义

我们的研究揭示了一个关键且之前被忽视的现象：硫化引起的老化对传统PE和可降解PLA微塑料在沉积环境中的二氧化碳和甲烷排放潜力产生了根本不同的甚至相反的影响。主要发现是，原始PLA是沉积物中二氧化碳和甲烷产生的强烈促进因素，而硫化老化则减弱了这一效应。相反，对于传统PE，硫化老化使其

结论

硫化引起的老化通过改变传统PE和可降解PLA微塑料的表面化学性质和碳源释放方式，显著改变了它们的环境行为和温室气体排放潜力。由于原始PLA的分解速度快，它显著增加了沉积物中的有机碳含量，导致二氧化碳和甲烷排放量增加以及甲烷排放峰值的提前。这表明可降解材料可能带来

作者贡献声明

Yuanyuan Li：软件、方法论。Lizi Zhao：验证、正式分析。Qi Qiao：写作 – 审稿与编辑、正式分析。Zhexi Liu：方法论、研究。Jin-hui Huang：写作 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。Lin Shi：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、正式分析。Hanbo Yu：写作 – 审稿与编辑、监督、方法论、正式分析。Mengyu Ma：方法论、正式分析。Wenjuan He：

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖南省生态与环境研究项目（HBKYXM-2024002）和湖南省水资源科学技术项目（XSKJ2025056-27）的支持。