微塑料污染中生物膜的关键作用及其潜在的环境风险：揭示其在表面改性、金属吸附和生物吸收过程中的核心作用

《Environmental Research》：The game changer of biofilm in microplastic pollution and potential environmental risks: Unveiling the pivotal roles on surface modification, metal adsorption, and biological uptake

　　

云晓|潘海霞|张萌|韩晓宇|郭宏钦|曲小川|史宇天|曹松英|张宁|赵欣|刘宝琴

中国东北大学资源与土木工程学院环境工程系，沈阳，110819

摘要

微塑料（MPs）作为一种普遍存在的环境污染物，可以作为重金属（HMs）的载体；然而，在真实的水生条件下，生物膜的形成会显著改变它们的表面性质和环境风险。在本研究中，我们系统地研究了聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乳酸（PLA）表面生物膜对镉（Cd）和铜（Cu）的吸附行为，并探讨了生物膜增强这些污染物在水生环境中传播能力的潜在环境风险。经过35天的生物膜培养后，通过扫描电子显微镜（SEM）和结晶紫染色确认了生物膜的成功形成，其形成顺序为PP > PLA > PET。生物膜的形成显著改变了微塑料的表面物理化学性质，表现为比表面积的增加以及含氧/氮功能基团的引入。批量吸附实验表明，生物膜形成的微塑料对Cd/Cu的吸附能力显著增强，其中PP表面的Cd吸附能力比未经生物膜处理的微塑料提高了101.34%。吸附动力学和等温线分析结果显示，生物膜形成的微塑料吸附行为符合伪二级模型和朗缪尔模型，主要为物理吸附、化学吸附和生物吸附共同作用的结果。重要的是，斑马鱼暴露实验表明，生物膜形成的微塑料使肠道中的Cd积累量增加了95.43%，这说明生物膜的形成放大了微塑料的载体作用，并增强了相关的环境健康风险。本研究证明了生物膜的形成将微塑料转变为更具活性和危害性的复合污染物，强调了在微塑料-重金属环境影响评估中纳入这一生物层的必要性。

引言

微塑料（MPs）首次被定义是在2004年，指的是直径约为20微米的颗粒状或纤维状的塑料碎片[1]。目前，微塑料被广泛定义为尺寸小于或等于5毫米的固态塑料颗粒，包括聚合物、功能性添加剂和化学物质[2]。估计每年有1000到4000万吨微塑料排放到环境中；据预测，到2050年这一数量将增加一倍以上[3]，[4]。已有大量研究表明，微塑料能够被多种生物体吸收，包括无脊椎滤食动物、鸟类和鱼类[5]。值得注意的是，微塑料还可以穿过生物屏障并在人体内积累，如在血液、胎盘、大脑、肝脏和肾脏中[5]，[6]，[7]。2024年采集的人类大脑样本中的微塑料浓度比2016年高出约50%，而在肝脏和肾脏中的浓度则接近30倍[8]，[9]。

由于微塑料具有独特的表面特性，如较大的比表面积、高孔隙率、明显的疏水性和非晶结构[10]，[11]，它们可以成为多环芳烃（PAHs）、抗生素及其耐药基因（ARGs）以及重金属（HMs）的有效载体[12]，[13]，[14]，[15]。目前已有研究探讨了微塑料对重金属的吸附行为，发现吸附能力高度依赖于微塑料的物理化学性质、金属种类以及周围环境条件[15]。例如，老化的尼龙微塑料主要通过表面配位机制吸附Pb(II)[16]。此外，随着腐殖酸（HA）浓度的增加，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（PA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）对Cd(II)的吸附能力下降，因为带负电的腐殖酸为Cd(II)提供了新的吸附位点，导致竞争性吸附[17]，[18]。环境参数（如pH值和盐度）通过静电相互作用和离子竞争效应进一步调控重金属的吸附[19]。

一旦释放到环境中，微塑料会经历各种非生物和生物老化过程，这些过程会显著改变它们的表面性质和吸附行为[20]。其中，生物膜的形成是一种主要的生物转化途径。生物膜是由微生物（包括细菌、真菌、藻类和原生动物）分泌的胞外聚合物（EPS）形成的[21]，[22]，[23]。EPS通常带有负电荷，并通过多种机制（包括静电相互作用、离子交换、表面配位、扩散和沉淀）对金属离子表现出强烈的亲和力[24]。生物膜的存在将微生物牢固地固定在塑料表面，显著增加了微塑料上的吸附位点密度和多样性，在重金属的吸附过程中起着关键作用[25]。据报道，聚苯乙烯（PS）微塑料上的生物膜使多种金属（如Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Ag和Pb）的吸附能力几乎翻倍[24]，[26]。同样，生物膜也使聚乳酸（PLA）微塑料对Cu(II)的吸附能力增加了32.36%，主要是由于表面积增大、吸附位点增多和孔隙填充效应[27]。然而，目前仍缺乏关于常规微塑料与生物降解微塑料在生物污染条件下的吸附行为和吸附动力学差异的研究，以及关于生物膜对微塑料载体效应的增强及其对微塑料-重金属复合污染潜在环境风险的影响的研究。

在本研究中，我们比较了生物膜介导的聚丙烯（PP）、PET和PLA微塑料对Cd/Cu的吸附行为。选择镉（Cd）是因为其高毒性[28]和环境持久性，而选择铜（Cu）是因为其在畜牧业、制药和化工行业的广泛应用[29]。选择PP和PET作为代表性常规聚合物是因为它们的广泛应用，而选择PLA是因为其在全球生物降解塑料行业中市场份额的增长和重要性[30]。使用扫描电子显微镜（SEM）、ζ电位分析、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积和孔径测量以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）系统地表征了生物膜形成前后微塑料表面物理化学性质的变化。还进行了吸附动力学、等温线和pH效应实验，以揭示生物膜形成微塑料对重金属的吸附机制。此外，还进行了斑马鱼暴露实验，以评估生物膜形成微塑料对生物体内金属积累的潜在环境风险。这项工作为微塑料生物膜对重金属的吸附提供了重要的理论和机制见解。

节摘

微塑料生物膜的制备

在本研究中，我们从中国东莞的Jade Cheng Plasticisation公司购买了由PP、PET和PLA组成的微塑料颗粒（颗粒大小为74微米；纯度>99.9%）。经过冷冻/干燥、研磨和筛分后，获得了粒径约为50微米的微塑料。三种测试塑料的物理和化学性质总结在表S1（补充信息（SI）中。

在培养之前，先将原始微塑料依次用75%（v/v）乙醇清洗

微塑料表面生物膜的特性

经过35天的生物膜培养后，原始微塑料和生物膜形成的微塑料之间出现了明显的形态差异。如图1(a)所示，所有原始微塑料的表面通常光滑平坦，只有偶尔的突起和凹陷，尤其是在PP微塑料上。这些表面不规则性可能是由于制造过程中的机械磨损造成的，可能会促进生物污染和吸附[40]。经过生物培养后，

结论

本研究系统地研究了生物膜的形成对三种代表性微塑料（PP、PET和PLA）上Cd(II)和Cu(II)吸附行为的影响，以及由此产生的微塑料-重金属复合污染物在水生环境中的潜在环境风险。生物膜的存在通过改变微塑料表面的物理和化学性质（如ζ电位的改变、比表面积的增加）提高了金属的吸附能力

作者贡献声明

刘宝琴：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。云晓：撰写——初稿撰写，研究。张宁：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，资金获取。赵欣：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。潘海霞：撰写——初稿撰写，研究。张萌：研究。韩晓宇：项目管理，研究，资金获取。史宇天：软件开发，研究。曹松英：资源支持，

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：

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52470141）、中国城乡水资源与环境国家重点实验室开放项目（项目编号：ES202420）、中国医科大学高层次人才计划、辽宁省科技计划项目（项目编号：2025JH2/101300098）以及中国香港中文大学（CUHK）直接资助（项目编号：2024.099和2025.085）的支持。我们感谢东北大学分析与测试中心提供的测试支持