聚合物与环境的相互作用驱动了表面流动湿地中微塑料的降解：对细菌组装、网络结构及其在水生和沉积环境中的功能的新见解

《Bioresource Technology》：Polymer–environment interplay drives microplastic degradation in a surface-flow wetland: New insights into bacterial assembly, network structure, and function across aquatic and sedimentary habitats

　　

吴睿|马宇曼|王彦霞|梁启斌|高雷|侯雷

中国云南省高原湿地保护、恢复与生态服务重点实验室，西南林业大学生态与环境学院，昆明650224

摘要

目前尚不清楚不同类型的聚合物（石油基与生物基）和环境介质如何相互作用，从而影响湿地中微塑料（MP）的生物降解过程。我们进行了一项为期120天的原位实验，将五种微塑料（聚乳酸[PLA]、聚氨酯[PU]、聚对苯二甲酸乙二醇酯[PET]、聚乙烯[PE]和聚丙烯[PP]）置于表面流湿地中。实验观察到明显的降解顺序：PU（沉积物中降解率为15.2±3.2%；水中降解率为12.0±3.9%）> PE（11.9±2.9%；8.2±4.0%）> PLA（4.4±2.2%；5.0±3.1%）≈ PET（2.4±1.5%；7.1±3.5%）≈ PP（0.0–0.3%），表明大多数石油基微塑料的降解速度快于生物基PLA。结合16S核糖体RNA测序、共现网络分析及中性模型和空模型分析，我们发现塑料圈群落的形成主要受栖息地因素（占85%以上）的影响，而非聚合物类型本身。不同栖息地中的微生物功能专化存在差异：水生塑料圈中富含硝酸盐还原菌和芳香烃降解菌（如Nitrospira、Methyloversatilis和Hydrogenophaga），而沉积物中的塑料圈则以塑料/多糖降解菌（如Psychrobacter和Microbulbifer）为主。共现网络在水生环境中呈高模块化/低连接性特征，在沉积物环境中则呈低模块化/高连接性特征。结构方程模型表明，塑料圈微生物组是降解过程的直接驱动因素。光照照射可促进降解（回归系数为0.888），而沉积物中的有机物（-0.738）、DGT不稳定铁（-0.876）和硫（-0.876）则抑制降解。这些发现强调了栖息地类型与聚合物类型在控制湿地中微塑料命运方面的关键相互作用。

引言

微塑料（MPs）作为一种新兴的环境污染物，在全球的海洋、淡水和陆地生态系统中普遍存在（Li等，2024年；Miao等，2021年）。它们通过吸附疏水性污染物（如重金属、持久性有机污染物）并释放塑料添加剂（如邻苯二甲酸盐、壬基酚）来破坏生物地球化学营养循环和生态系统功能（Lin等，2022年）。传统的物理化学修复方法成本高昂且可能引发二次污染；因此，基于生物降解的解决方法因具有环境友好性和可持续性而备受关注（Zhao等，2025年）。从受微塑料污染的环境中分离高效降解菌（如假单胞菌属（Pseudomonas）、窄食单胞菌属（Stenotrophomonas）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）、红球菌属（Rhodococcus）、链球菌属（Streptococcus）和芽孢杆菌属（Bacillus）是提高生物修复效果的关键途径（Meng等，2024b年）。

然而，微塑料的生物降解效率受多种因素影响。石油基塑料（PBPs）固有的稳定性和疏水性通常限制其生物降解性，而生物基塑料（BBPs）通常含有可水解的功能基团（如酯基、羧基、羟基等）（Sun等，2021年）。例如，常见的生物基塑料聚乳酸（PLA）在35天培养后的重量损失为35.45%，显著高于相同条件下聚苯乙烯（PS）的19.71%（Wu等，2023年）。尽管如此，即使在自然环境中，生物基塑料的降解也可能很缓慢，可能需要多年才能发生显著分解，且往往无法完全矿化（Zhao等，2025年）。微塑料在自然环境中会经历光降解、热氧化、机械磨损、化学氧化和生物降解等多种老化过程（Lin等，2022年）。其中，光降解（尤其是紫外线诱导的光氧化）是主要降解机制（Ren等，2023年）。Taghavi等（2021年）报告称，聚乙烯（PE）和PS在紫外线作用下的重量显著减轻。这种老化过程会产生含氧功能基团，增加表面亲水性，有利于微生物定殖和酶活性（Zhu等，2020年）。此外，环境条件对降解途径有重要影响：在氧化环境中，微塑料可作为微生物氧化的电子供体（Sun等，2023年）；而在还原条件下，它们可作为碳源，参与硝酸盐或硫酸盐还原等反应，其中微生物竞争决定了主导的降解途径（Zhang等，2023年）。土壤pH值等因素也会显著改变微生物群落的组成和活性；例如，在酸性条件下，微生物分泌的有机酸会加速塑料表面风化（Vincent等，2021年）。最终，不同类型的微塑料会与特定的微生物群落形成相互作用网络，导致生物降解效率在空间和时间上呈现异质性（Rohrbach等，2022年）。

塑料圈是一种独特的生物膜群落，栖息在塑料表面，其生态位与周围环境不同（Li等，2021年）。其微生物组成、代谢功能和种间相互作用受到塑料 substrates 物理化学性质的强烈影响。与天然 substrates 相比，微塑料的疏水性表面和高比表面积更有利于具有疏水细胞膜的降解菌（如假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和红球菌属（Rhodococcus）的生存（Zhang等，2022年；Shi等，2025年）。湿地生态系统是微塑料的重要储存库，通过水动力捕获、沉积物吸附和植物吸收等机制将其滞留（Su等，2022年）。作为滨水生态过渡带，湿地经历周期性 flooding–drying 循环，产生动态的氧化还原梯度，积累大量有机物质（OM），并促进根系分泌物驱动的共代谢（Wang等，2024a）。这些独特的栖息地条件可能对塑料圈的形成和微塑料降解效率产生深远影响。虽然已有研究在水生和沉积物环境中发现了降解微塑料的功能性细菌，证实了栖息地特异性对细菌群落的影响（Chen等，2024年），但仍存在一个关键知识空白：系统研究不同类型的聚合物（PBPs 与 BBPs）与关键栖息地因素（尤其是水柱与沉积物之间的环境差异）对湿地系统中微塑料生物降解动态和机制的相互作用。

因此，我们假设聚合物类型（PBPs 与 BBPs）与环境介质（水与沉积物）之间的相互作用决定了湿地系统中微塑料的降解过程。为了验证这一点，我们在高原表面流湿地的水生和沉积物环境中对 PBPs 和 BBPs 进行了原位培养。通过结合光谱和显微镜分析技术、高通量16S核糖体RNA测序、共现网络分析和结构方程建模（SEM），我们比较了 PBPs 和 BBPs 之间的降解差异，以阐明聚合物性质与环境条件对降解效率的影响。我们识别出水生和沉积物中关键的降解细菌，探讨了它们的定殖策略和调控机制，并量化了影响水生和沉积物系统中细菌驱动降解过程的关键环境因素的阈值。

章节片段

研究区域和原位培养设置

洛氏江（Luoshijiang，LSJ）湿地是一个面积约0.44平方公里的表面流湿地，位于中国西南部云南省第二大高原湖泊洱海北侧。该湿地建于2009年，旨在减少LSJ流域排放的污染物负荷，从而降低进入洱海的养分和塑料负荷。该地区属于低纬度高原亚热带季风气候，雨季（5月至10月）和旱季（11月至4月）分明，年平均降水量为1066毫米

降解特性

经过120天的原位培养后，微塑料的重量损失率（WLR）依次为：PU > PE > PLA ≈ PET ? PP（p < 0.05；图2A）。PU的降解率最高（沉积物中降解率为15.2±3.2%；水中降解率为12.0±3.9%），其次是PE（11.9±2.9%；8.2±4.0%），远高于PLA（4.4±2.2%；5.0±3.1%）和PET（2.4±1.5%；7.1±3.5%）（p < 0.05）。PP的降解率极低（0.0–0.3%）。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，除了PP外，所有微塑料表面都出现了凹坑、裂纹和不规则突起（图2F）

结论

我们的结果表明，在湿地中，特别是水生环境中，石油基塑料（PBPs）可能比生物基塑料（BBPs）降解得更快，因为光照照射通过光老化作用增强了微生物的降解能力。对于生物修复而言，预处理（如紫外线处理、机械磨损、氧化剂处理）可以加速疏水性PBPs的降解。水生环境中共现网络结构模块化较高，而沉积物中网络连接性强，这揭示了微生物策略的差异：一些群落具有自给自足的能力，而另一些群落则表现出合作性

CRediT作者贡献声明

吴睿：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、概念构思。马宇曼：数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。王彦霞：方法设计、实验研究。梁启斌：方法设计、实验研究、资金筹集。高雷：撰写文本、审稿与编辑、结果验证、资金筹集、概念构思。侯雷：撰写文本、审稿与编辑、结果验证、方法设计、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们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

本研究得到了云南省科学技术规划项目（项目编号202301AT070220和202301BD070001-090）、云南省科技人才与平台计划（202105AG070002）、广东省基础与应用基础研究基金会（2024B1515020030）以及中国科学与技术协会青年创新促进会（2022352）的支持。