微塑料（粒徑小于 5 mm的塑料）是一類(lèi)在海岸帶環(huán)境中廣泛分布的新污染物，對(duì)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。紅樹(shù)林濕地是海岸帶最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，約占全球海岸線的60-75%。受陸地和海洋活動(dòng)的影響，紅樹(shù)林濕地已成為微塑料重要的匯。紅樹(shù)林濕地微生物豐富多樣，驅(qū)動(dòng)著濕地生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，在提高濕地固碳儲(chǔ)碳、凈化環(huán)境污染和維護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮重要作用。濕地沉積物環(huán)境富含有機(jī)質(zhì)、硫酸鹽和硫化物，硫循環(huán)微生物十分活躍，是濕地生物地球化學(xué)過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)者。然而，微塑料污染對(duì)紅樹(shù)林濕地微生物驅(qū)動(dòng)的硫元素遷移和轉(zhuǎn)化、硫循環(huán)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響卻并不清楚。此外，在氧化-還原條件快速波動(dòng)的紅樹(shù)林濕地環(huán)境中，硫還原和氧化過(guò)程同時(shí)發(fā)生，給硫循環(huán)過(guò)程和機(jī)制研究帶來(lái)了巨大的困難和挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生王賀麗在導(dǎo)師鐘音副研究員和彭平安研究員的指導(dǎo)下，開(kāi)展了微宇宙實(shí)驗(yàn)，利用硫穩(wěn)定同位素分析和宏基因組測(cè)序技術(shù)，研究了傳統(tǒng)石油基微塑料和生物可降解微塑料對(duì)紅樹(shù)林濕地沉積物硫循環(huán)的影響。研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)20天培養(yǎng)，與不添加微塑料的空白組對(duì)比，石油基微塑料聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）處理沒(méi)有顯著影響硫酸鹽的還原和硫酸根硫同位素組成（δ34SSO42-），而可生物降解微塑料聚乳酸（PLA）處理雖然沒(méi)有顯著降低硫酸鹽的濃度，但是顯著增加了硫酸根硫同位素分餾，表明PLA微塑料處理加速了硫酸鹽還原過(guò)程（圖1）。而硫酸鹽的濃度變化較小可能與硫氧化進(jìn)一步生成硫酸鹽相關(guān)。
圖1 不同微塑料對(duì)上覆水硫酸鹽濃度(A)和硫同位素組成(B)的影響
此外，研究發(fā)現(xiàn)PLA微塑料不僅促進(jìn)了硫酸鹽的還原，還促進(jìn)了酸可揮發(fā)性硫（AVS）的生成，AVS會(huì)進(jìn)一步快速轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫（S0）和鉻還原態(tài)硫（CRS）（圖2）。S0的濃度在第10天后開(kāi)始降低，這可能與S0進(jìn)一步發(fā)生歧化反應(yīng)有關(guān)。硫元素質(zhì)量平衡分析顯示CRS是主要的硫化物，CRS的濃度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加。PLA微塑料處理導(dǎo)致硫酸鹽-CRS之間硫同位素組成差異最大，表明PLA微塑料促進(jìn)了硫酸鹽還原生成CRS。
圖2微塑料對(duì)沉積物硫物種和硫酸鹽-CRS之間硫同位素組成差異影響
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)宏基因測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)PLA微塑料處理導(dǎo)致硫酸鹽還原菌Desulfovibrio的豐度增加，而且Desulfovibrio的硫酸鹽還原基因（dsrAB、aprAB和sat）豐度比其它參與硫酸鹽還原微生物的要高，表明PLA微塑料處理促進(jìn)硫酸鹽還原和硫同位素分餾過(guò)程中Desulfovibrio可能發(fā)揮了重要作用（圖3）， 這可能與PLA微塑料能被降解為可利用碳源，從而促進(jìn)了Desulfovibrio的生長(zhǎng)有關(guān)。該研究揭示了在較短的反應(yīng)時(shí)間（20天）里，可降解微塑料PLA會(huì)顯著促進(jìn)硫酸鹽還原生成AVS、S0和CRS，影響紅樹(shù)林表層沉積物中硫循環(huán)的過(guò)程以及紅樹(shù)林沉積物中有機(jī)質(zhì)的分解和碳儲(chǔ)存。該研究成果為微塑料污染影響紅樹(shù)林濕地生物地球化學(xué)過(guò)程研究提供了啟示，也為微塑料污染海岸帶環(huán)境的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了重要的信息。
圖3 不同微塑料處理對(duì)參與異化硫酸鹽還原過(guò)程的功能基因和微生物的影響
該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（42077285）、廣東省科學(xué)基金 （2020B1212060053654、2022A1515011923）、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（202102080343）等的資助。研究成果于1月5日在線發(fā)表于國(guó)際期刊
《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）。
論文信息：Heli Wang, Qian Yang, Dan Li, Junhong Wu, Sen Yang, Yirong Deng, Chunling Luo, Wanglu Jia, Yin Zhong* and Ping’an Peng. Stable Isotopic and Metagenomic Analyses Reveal Microbial-Mediated Effects of Microplastics on Sulfur Cycling in Coastal Sediments. Environ. Sci. & Technol., in press, DOI: 10.1021/acs.est.2c06546.
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