《Journal of Contaminant Hydrology》：The role of biofilms formed on different mesoplastics as a carrier of a range of diverse contaminants in estuarine water
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本研究在实验室模型中模拟河口条件，探究聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）三种微塑料表面生物膜的形成及其对药物（如GFZ）和总石油烃（TPH）等污染物的吸附累积作用。结果表明，PP表面好氧异养菌数量最多（8.7×10^6 cfu/cm2），PE表面GFZ浓度最高（2.2 μg/cm2），PP表面TPH累积量达峰值（57.1 μg/cm2）。实验证实微塑料表面生物膜显著增强污染物吸附与滞留，其生态效应需结合微生物活性综合评估。
Tuba Unsal|Nuray Caglar Balkis|Abdullah Aksu|Nagihan Ersoy Korkmaz|Esra Billur Balcioglu Ilhan|Omer Suat Task?n|Mehmet Emre Cetintasoglu
土耳其伊斯坦布尔大学海洋科学与管理研究所化学海洋学系，邮编34134
摘要
本研究在模拟河口环境的实验室模型系统中，探讨了不同类型的中型塑料（聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）表面形成的生物膜在污染物积累中的作用。同时，还研究了这些生物膜对主要污染物（如药物、总石油烃类（TPH）的吸附能力、这些污染物在生物膜中的持久性以及它们对微生物种群的影响。结果表明，在六个月的实验期间，所有中型塑料样品上都形成了生物膜。其中，聚丙烯表面的生物膜在暴露期末含有最高数量的好氧异养细菌（AHB），为8.7×10^6 cfu/cm^2。在污染物浓度方面，聚乙烯表面的生物膜记录到了最高的吉菲布罗齐尔（GFZ）浓度，达到2.2 μg/cm^2。此外，聚丙烯表面的生物膜在总石油烃类（TPH）的积累方面也表现出峰值，为57.1 μg/cm^2。这些发现表明，中型塑料可以作为被动采样器，为微生物定殖提供适宜的表面，从而增强周围水环境中污染物的积累和滞留。因此，全面评估海洋生态系统中的塑料污染时，必须考虑塑料的生物活性及其与环境污染物的相互作用，以充分理解其生态影响。
引言
过去三十年里，全球塑料消费量急剧增加（Nayanathara Thathsarani Pilapitiya和Ratnayake，2024），导致了严重的环境危机，表现为广泛的塑料污染。这种现象对生态系统，尤其是海洋环境构成了严重威胁，因为塑料颗粒难以监测，并且经常通过风、降水或水流等途径进入水生系统（Thompson等人，2004；Duis和Coors，2016；Bacha等人，2021）。塑料可以根据大小分类：微塑料（MPs，小于5毫米）；中型塑料（0.5–5厘米）；大型塑料（5–50厘米）；以及巨型塑料（大于50厘米），所有这些都属于降解后的塑料材料。塑料污染的来源多种多样，家庭和工业活动都起到了重要作用。特别是日常用品，如化妆品（包括微珠、牙膏、洗发水、面霜和肥皂）（Fendall和Sewell，2009）、纺织材料（绒毛、聚酯和尼龙）以及工业原材料（如泡沫塑料和纱线纤维）（Browne等人，2011）是主要污染源。此外，渔业也是塑料废物的主要产生者，每年会使用大量的合成绳索和渔网，加剧了海洋污染。尽管塑料对环境有负面影响，但由于其轻便、柔韧、可加工和成本效益等优点，它们仍被广泛使用。目前流通的主要塑料类型包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（尼龙）、聚酯、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）以及聚氯乙烯（PVC）。特别是分析显示，自然环境中40%的塑料由聚乙烯、25%的聚苯乙烯和19%的聚丙烯组成（Sadri和Thompson，2014）。塑料污染的后果令人担忧，每年有超过267种海洋物种因此死亡，包括海龟、海豹、海狮、鱼类和鲸鱼，它们常常将塑料误食为食物（Yuan等人，2022）。随着这些塑料进入食物链，它们有可能转移到人类消费者体内（Eriksson和Burton，2003；Farrell和Nelson，2013）。此外，微塑料的微小尺寸和通常无色的特性使问题更加严重，使它们在水生环境中几乎不可见，从而增加了威胁的程度。特别是土耳其海域的塑料污染水平显著升高（Aytan等人，2016），马尔马拉海被认定为一个关键关注区域（Tan，2022）。流入该海域的家庭和工业废物受到黑海水流的影响，尤其是金角湾（Balk?s等人，2010）。因此，针对这一区域的研究对于深入理解自然塑料循环和更有效地应对塑料污染至关重要。
人类经常使用各种药物化合物，包括β-阻滞剂、抗癫痫药物、激素和抗炎剂（Poirier Larabie等人，2017）。这些物质可以通过来自家庭、医院或工业来源的废水轻易进入环境（Rosi-Marshall和Royer，2012）。此外，某些药物可能通过家庭废物、水槽或马桶进入污水处理厂（Gros等人，2007；Petrovi?等人，2005）。不幸的是，这些化合物在污水处理设施中往往处理不当，导致它们被排放到水生生态系统中，对海洋生物构成重大健康风险（Arpin-Pont等人，2016；Korkmaz等人，2023）。由于塑料的疏水性、浮力、轻质特性和长距离传输能力，它们对环境构成了重大威胁。这些材料可以吸收有毒化学物质，如农药、多氯联苯（PCBs）、二氯二苯三氯乙烷（DDT）和多环芳烃（PAHs）（Teuten等人，2009）。此外，研究表明，包括硅藻、水螅、真菌和致病细菌在内的微生物可以附着在塑料表面，并长期存在，促进其传输（Carpenter和Smith，1972；Rummel等人，2017）。塑料的形态和晶体结构也显著影响生物膜的形成。结晶度是判断聚合物链是采用晶体有序构象还是非晶态的指标（Zhang等人，2017）。连接到聚合物链上的功能基团深刻影响这种结构行为，决定了材料的相对结晶度。在本研究中，研究的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯，它们的结晶度从高到低依次排列。此外，在制造过程中添加添加剂（如交联剂和紫外线稳定剂）可以提高这些聚合物的机械性能。特别是聚丙烯和聚苯乙烯链中的甲基和苯基基团有助于增加材料的硬度。所使用的聚合物类型可以显著影响生物膜中微生物的繁殖能力，这取决于它们的代谢需求（Ventura等人，2024）。
在本研究中，我们在模拟河口环境的实验室模型系统中，研究了塑料表面（PE、PP和PS）上生物膜的形成和发展阶段。系统中充满了金角湾的水，为塑料样品提供了自然环境。生物膜形成后，研究了优先污染物（如农药、PAHs等）在生物膜中的渗透情况、它们在生物膜中的持久性以及对细菌种群的影响。
采样区域
采样区域
水样采集自卡斯姆帕萨地区的金角湾（大约0至50厘米深度），确保整个过程中保持无菌条件。样品每周采集一次，并在1小时内运输到实验室。
测试样品
本研究使用了三种不同的聚合物类型（PE、PP和PS）作为测试材料。实验前将样品切割成25×25×10毫米的尺寸。每个样品的边缘钻了一个直径为2.5毫米的孔。
模型水循环系统的物理化学数据
模型水循环系统的物理化学参数见表1。实验第二个月记录的最大pH值为8.33。这种pH变化与水中溶解的CO2浓度密切相关，因为二氧化碳与水反应生成碳酸，随后释放出氢离子（H+）。相比之下，溶解氧的浓度在实验过程中逐渐降低，到第六个月时降至6毫克/升。
结论
塑料在海洋环境中普遍存在，它们不仅是物理污染的来源，还在生物和化学过程中发挥积极作用。它们的表面通常成为生物膜的基底，这些生物膜由高度有序的微生物群落组成。塑料上生物膜的形成受到多种因素的影响，包括塑料的化学组成、分子量、表面粗糙度等。
作者贡献声明
Tuba Unsal：撰写初稿、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化。Nuray Caglar Balkis：撰写与编辑、可视化处理、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念化。Abdullah Aksu：撰写与编辑、可视化处理、验证、方法学设计、数据分析、概念化。Nagihan Ersoy Korkmaz：撰写与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢伊斯坦布尔大学科学研究项目协调部门 [项目编号：33621]和伊斯坦布尔大都会市环境保护与控制部门安纳托利亚环境实验室在本研究中的金属分析工作。
