塑料污染已遍布海洋、陸地生態(tài)系統(tǒng)、淡水和大氣。然而，人們對污染環(huán)境的塑料與地球元素(碳、氮、磷、硫)的生物地球化學(xué)循環(huán)之間相互作用的理解才剛剛開始。微塑料(塑料顆粒<5毫米)和納米塑料(<1微米)源自微小的塑料微珠的泄漏以及環(huán)境中各種塑料制品的風(fēng)化和破碎。
由于微(納米)塑料可以改變土壤和沉積物的結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)，因此它們會影響元素循環(huán)并導(dǎo)致溫室氣體的產(chǎn)生。此外，微生物可以代謝這些塑料以及從塑料中滲出的溶解性有機物，從而直接或間接地影響關(guān)鍵的生物地球化學(xué)循環(huán)。塑料圈(即定居在塑料碎片上的微生物群落)可能在元素循環(huán)中發(fā)揮尤其重要的作用。
2024年8月29日，北京師范大學(xué)夏星輝教授在 Science 期刊發(fā)表了題為：Element cycling with micro(nano)plastics 的評述文章(Perspective)，評述了微塑料/納米塑料在地球環(huán)境中對生物化學(xué)循環(huán)的深遠影響。
微(納米)塑料主要由碳組成，但也包括其他元素，例如聚酰胺中的氮、聚氯乙烯中的氯和生物基塑料中的氧。進入自然環(huán)境后，它們會在不同的環(huán)境，尤其是在土壤和沉積物中積累，這些積累會影響有機碳的儲存。塑料，特別是可生物降解塑料，可以被微生物在不同環(huán)境隔室中用于新陳代謝。這些微生物過程還會產(chǎn)生和釋放代謝物和有機碎屑。因此，這些過程會改變微生物群落的豐度、結(jié)構(gòu)、功能和生化活性。反過來，通過改變微環(huán)境的碳供應(yīng)，微生物可以影響生物地球化學(xué)碳循環(huán)。
微(納米)塑料影響生物地球化學(xué)碳循環(huán)的途徑是復(fù)雜的。例如，塑料可以通過目前尚不清楚的機制改變浮游植物的葉綠素含量，這可能會干擾光合作用。微(納米)塑料還可以改變環(huán)境的理化性質(zhì)，如土壤顆粒團聚體的組成和土壤的容重等。團聚體的變化可以改變土壤的孔隙空間，從而影響?zhàn)B分、氣體和水分的運動以及微生物群落的活動。這反過來又會影響礦物與有機碳的結(jié)合過程，該過程影響碳在土壤中的保留程度或被生物消耗并釋放到大氣中作為CO2.從而間接影響土壤碳循環(huán)。最近發(fā)現(xiàn)的塑料-巖石復(fù)合物為微(納米)塑料融入地質(zhì)循環(huán)提供了進一步的證據(jù)，這種復(fù)合物是在塑料碎片不可逆地附著在母巖上時形成的。
在風(fēng)化過程中，環(huán)境中的塑料會不斷釋放溶解性有機物。這些物質(zhì)由復(fù)雜的烴類混合物組成，其中也可能摻雜著其他成分，包括制造過程中的各種添加劑和殘留化學(xué)物質(zhì)，以及單體、低聚物和聚合物降解產(chǎn)物。據(jù)一項保守估計，海洋表面微層中高達10%的溶解性有機碳可能來源于漂浮的塑料碎片。每年，多達23600噸的溶解性有機碳從塑料中滲入海洋。這種碳以及溶解性有機物中的低分子量和易變的脂肪族成分，甚至可能比天然溶解性有機物更有效地促進微生物生長。此外，微(納米)塑料可以通過調(diào)節(jié)生物和非生物途徑，間接改變土壤和水生系統(tǒng)中天然溶解性有機物的濃度和化學(xué)組成。微(納米)塑料可以在土壤和水生系統(tǒng)中形成獨特的顆粒有機物。細胞外聚合物、天然溶解性有機物和其他有機大分子可以被吸附到微(納米)塑料表面，形成所謂的“生態(tài)暈”。由塑料本身、塑料圈和生態(tài)暈組成的復(fù)雜微(納米)塑料異聚體構(gòu)成了顆粒有機物。這可能會使微(納米)塑料對碳的儲存和質(zhì)量產(chǎn)生更大的影響，進而對微生物群落和碳循環(huán)產(chǎn)生影響。據(jù)估計，在海洋中，塑料圈約占開闊水面總微生物生物量的0.01%至0.2%。這可能會影響有機碳的運輸，特別是深海中的垂直運輸，并形成一個復(fù)雜的塑料圈-水界面，涉及微生物代謝和碳循環(huán)。
富含碳的微(納米)塑料和塑料衍生的溶解性有機物也可能影響氮轉(zhuǎn)化微生物群落(即氨氧化、硝化和反硝化功能微生物)。這很可能影響水域、沉積物和土壤中的微生物驅(qū)動的氮循環(huán)。由于碳為將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽提供了電子供體，因此預(yù)計塑料衍生的碳會對反硝化產(chǎn)生影響。微(納米)塑料對土壤結(jié)構(gòu)和土壤團聚體的改變會影響氮循環(huán)，因為這會改變土壤的持水能力、通氣條件和相關(guān)微生物群落的活性。塑料的類型、大小和濃度可能是控制微生物中氮轉(zhuǎn)化過程速率的重要因素。可生物降解的微(納米)塑料的影響往往與傳統(tǒng)的化石基微(納米)塑料不同。這可能是由于不同塑料聚合物對微生物群落的碳利用效率和定殖特性的差異所致。由于可生物降解的微(納米)塑料在理論上能夠迅速分解為二氧化碳和水，因此它們對氮循環(huán)的長期影響尚不確定。
微(納米)塑料可以降解產(chǎn)生溫室氣體，并直接或間接地改變微生物在環(huán)境中產(chǎn)生溫室氣體的碳基質(zhì)。例如，穩(wěn)定同位素標記已經(jīng)證實，可生物降解的微(納米)塑料可以被微生物迅速礦化以產(chǎn)生二氧化碳。在僅進行425天的土壤培養(yǎng)后，聚丁二酸丁二醇酯塑料的礦化率達到59±4%至65±1%，而傳統(tǒng)塑料的降解速度極慢，估計半衰期從幾十年到數(shù)百年不等。此外，由于碳基質(zhì)的增加(特別是溶解性有機碳)以及微生物群落和土壤特性的變化，一些研究報告稱，含有微(納米)塑料的土壤中的總體二氧化碳排放量有所增加。
甲烷排放也受到污泥、土壤和沉積物中微(納米)塑料的濃度和聚合物類型的影響。然而，其程度和潛在機制仍不確定。微(納米)塑料還可能根據(jù)存在的氮轉(zhuǎn)化微生物類型、氮循環(huán)過程和碳氮耦合循環(huán)，改變水域、土壤和沉積物中的亞硝態(tài)氮(N2O)的產(chǎn)生和消耗。這些影響因塑料類型和大小而異，它們會改變N2O的產(chǎn)生速率和微生物途徑，包括硝化、硝化菌反硝化和異養(yǎng)反硝化。此外，塑料圈層調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)，從而具有調(diào)節(jié)溫室氣體產(chǎn)生的潛力，這一效應(yīng)值得被進一步研究。
微(納米)塑料對其他元素循環(huán)(磷、硫)的影響也才剛剛開始被研究。例如，微塑料可以動態(tài)地改變淡水中總磷和可溶性活性磷的含量，這可能是由于在塑料圈層中不同生物膜發(fā)育階段有機磷和無機磷之間的微生物介導(dǎo)轉(zhuǎn)化。同樣，微(納米)塑料也可能影響土壤磷循環(huán)。例如，含有可生物降解聚乳酸微塑料的沿海沉積物中的硫酸鹽還原作用增強。這可能是由于塑料圈層中富集的脫硫弧菌將塑料降解，為還原反應(yīng)提供電子供體。然而，關(guān)于微(納米)塑料如何影響磷和硫循環(huán)的詳細信息仍知之甚少。
圖1. 微(納米)塑料影響元素生物地球化學(xué)循環(huán)
更深入地講，微(納米)塑料可能影響生態(tài)系統(tǒng)的功能。例如，微(納米)塑料對初級生產(chǎn)者(例如花卉和藻類)的復(fù)雜影響可能導(dǎo)致養(yǎng)分循環(huán)的改變，特別是氮和磷的循環(huán)，以及生態(tài)系統(tǒng)整體產(chǎn)生新生物量的速度。由于微塑料造成的外部物理損傷，淡水底棲無脊椎動物的生物擾動活動減少，這大大抑制了沉積物-水界面上的無機氮通量、有機物質(zhì)礦化和二氧化碳排放。
微(納米)塑料循環(huán)包括塑料運輸模式以及它們在區(qū)域和全球范圍內(nèi)對不同地球系統(tǒng)隔室產(chǎn)生影響的生物地球化學(xué)過程。這些過程涉及微(納米)塑料本身、塑料衍生的溶解性有機物、塑料圈層介導(dǎo)的生物和非生物過程以及其他尚不清楚的途徑。挑戰(zhàn)在于量化并充分了解微(納米)塑料的發(fā)生、流動和轉(zhuǎn)化如何長期改變地球系統(tǒng)不同隔室中元素的含量，特別是碳的含量及其通量。塑料碳對環(huán)境的影響可能會通過改變生物可利用碳的組成來改變儲存的有機碳的總體濃度和性質(zhì)。識別和量化微(納米)塑料至關(guān)重要，同時還需要將這些信息納入全球生物地球化學(xué)循環(huán)模型。關(guān)于納米塑料對碳和其他元素生物地球化學(xué)循環(huán)的影響的研究還不夠充分。
采用分子生物學(xué)、質(zhì)譜分析、穩(wěn)定同位素標記和建模等先進技術(shù)將有助于確定在微(納米)塑料影響下不同環(huán)境中元素的命運和轉(zhuǎn)化。這些結(jié)果可能會受到長期受控戶外模擬和現(xiàn)場規(guī)模研究的影響。在更長的暴露期內(nèi)，現(xiàn)場試驗可以更好地評估微(納米)塑料污染的實際影響。需要研究氣候驅(qū)動效應(yīng)(如溫度升高、熱浪和濕度增加)對微(納米)塑料命運的影響，以及它們對元素生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候?qū)λ芰衔廴痉磻?yīng)的影響。應(yīng)更多地關(guān)注塑料圈層-微生物界面、微(納米)塑料積累的環(huán)境熱點(嚴重污染的農(nóng)業(yè)和工業(yè)土壤、垃圾填埋場、水生沉積物、深海)以及生態(tài)脆弱地區(qū)。了解微(納米)塑料在區(qū)域和全球范圍內(nèi)產(chǎn)生的詳細后果將對政策制定和塑料污染管理問題產(chǎn)生重大影響。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9505
來源：環(huán)凱轉(zhuǎn)載于“生物世界”公眾號，原作者~未知，內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有；
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