?紅樹林作為重要的藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)，在緩解氣候變化中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，隨著粒徑小于5毫米的微塑料（Microplastics）等新污染物在環(huán)境中的持續(xù)累積，紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其碳匯功能和生態(tài)服務(wù)價值均受到顯著影響。在紅樹林厭氧沉積物中，硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing Bacteria,SRB）作為關(guān)鍵的功能微生物群落，承擔(dān)著超過50%的碳通量轉(zhuǎn)化過程。這些微生物通過將硫酸鹽還原為硫化氫等中間產(chǎn)物，并與溶解性有機(jī)碳（Dissolved Organic Carbon,DOC）發(fā)生耦合反應(yīng)，從而影響紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效率和穩(wěn)定性。然而，目前關(guān)于微塑料污染對紅樹林沉積物中SRB代謝活性及其介導(dǎo)的碳-硫循環(huán)過程的影響機(jī)制尚不清楚，尤其是不同粒徑微塑料的生態(tài)效應(yīng)及其與SRB群落的相互作用仍需深入研究。
?針對這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所鐘音、彭平安等研究人員以生物可降解的聚乳酸（Polylactic Acid,PLA）微塑料為研究對象，設(shè)計了長達(dá)70天的厭氧微宇宙實驗，系統(tǒng)探究了不同濃度的毫米級（mm-PLA）和微米級（μm-PLA）兩種PLA微塑料對紅樹林沉積物硫酸鹽還原及DOC降解的影響，結(jié)合穩(wěn)定硫同位素分析、三維熒光-平行因子分析（EEM-PARAFAC）、16S rRNA基因擴(kuò)增子測序和宏基因組分析等多種技術(shù)手段，深入解析了碳-硫循環(huán)微生物群落結(jié)構(gòu)、功能基因及代謝網(wǎng)絡(luò)對不同粒徑微塑料的響應(yīng)機(jī)制。
?研究發(fā)現(xiàn)，mm-PLA比μm-PLA更顯著增強(qiáng)了紅樹林沉積物中硫酸鹽還原菌的代謝活性，主要表現(xiàn)為更顯著地促進(jìn)了硫酸鹽的還原以及還原態(tài)硫物種的生成，包括酸揮發(fā)性硫化物（AVS）、元素硫（S0）及鉻還原硫（CRS）（圖1）。含1%毫米級微塑料處理組（mm-1%-PLA）的硫酸鹽還原速率最高，但硫酸鹽中硫同位素分餾系數(shù)（34?）卻最低（16.85‰），這可能與mm-PLA釋放了更多的DOC，為硫酸鹽還原菌（SRB）提供了充足電子供體從而加速硫酸鹽還原過程而抑制分餾效應(yīng)有關(guān)。PLA微塑料釋放的DOC可能被微生物直接利用進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成CO2，其中，mm-1%處理組CO2排放量最大，較空白組增加了194%（圖2）。EEM-PARAFAC分析表明，微塑料添加改變了沉積物碳組成，沉積物源DOC以類蛋白物質(zhì)（C3組分）為主，其熒光強(qiáng)度較對照組顯著提升，生物指數(shù)（BIX）高于對照組，表明微塑料的存在增強(qiáng)了微生物的代謝活性。這一發(fā)現(xiàn)揭示了生物可降解微塑料通過“碳釋放-微生物代謝”調(diào)控紅樹林沉積物固碳功能的重要機(jī)制。
?16S rRNA基因擴(kuò)增子測序分析顯示PLA微塑料顯著影響微生物多樣性（β-多樣性），微塑料粒徑大小依賴效應(yīng)比濃度依賴效應(yīng)更為顯著。在mm-PLA處理組中，Acetobacteroides和完全氧化型SRB（如Desulfobacter）的相對豐度顯著升高，而μm-PLA處理組中，Anaerovorax和Desulfopila（不完全氧化型SRB）的豐度更高。這些優(yōu)勢菌的相對豐度與硫酸鹽濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與δ34S、CO2產(chǎn)生量呈正相關(guān)關(guān)系（圖3），表明這些菌屬可能是推動硫酸鹽還原和有機(jī)碳降解為CO2的關(guān)鍵微生物。宏基因組分析進(jìn)一步揭示了PLA微塑料存在時Anaerovorax、Acetobacteroides、Desulfopila、Desulfobacter和Desulfobulbus驅(qū)動碳代謝與硫酸鹽還原的關(guān)鍵基因豐度變化（圖4）。在μm-PLA處理組中，Anaerovorax和Desulfopila的碳代謝潛力顯著增強(qiáng)，其編碼的乳酸脫氫酶基因（dld、lldG）、淀粉降解酶基因（amyA、malZ）及脂肪酸β-氧化酶基因（bcd、atoB）的相對豐度升高，表明μm-PLA促進(jìn)了乳酸、淀粉等小分子有機(jī)物的代謝活性。相較于μm-PLA，mm-PLA組中Desulfobacter和Desulfobulbus的脂肪酸/氨基酸降解基因（bcd、kamA）及硫酸鹽還原關(guān)鍵基因（sat、aprAB、dsrAB）豐度更高，表明其通過硫酸鹽還原增強(qiáng)了脂肪酸/氨基酸代謝過程。此外，mm-PLA組Acetobacteroides還攜帶更多半纖維素降解基因（manA、manB），表明其同時促進(jìn)了沉積物復(fù)雜有機(jī)的降解過程。總之，mm-PLA微塑料可能由于較大的表面積提高了微生物在其表面附著能力，促進(jìn)了PLA微塑料表面降解和有機(jī)碳的釋放，增強(qiáng)了碳-硫循環(huán)微生物活性，促進(jìn)了紅樹林沉積物復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的降解和CO2的排放。
?該研究首次系統(tǒng)解析了不同粒徑PLA微塑料對紅樹林沉積物碳-硫循環(huán)的影響機(jī)制，為理解藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的生物地球化學(xué)行為提供了重要科學(xué)依據(jù)。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Water Research》上。王賀麗博士（我所畢業(yè)博士生）為文章第一作者，鐘音為通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、廣州市科技計劃項目、廣東省科學(xué)技術(shù)研究基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目和海南省重點研發(fā)項目等項目的聯(lián)合資助。
論文信息:Heli Wang?(王賀麗),Yin Zhong *(鐘音),Qian Yang?(楊倩),Jiaying Li (李佳瀅),Dan Li?(李丹),Junhong Wu?(吳駿宏),Sen Yang?(楊森),Jiashuo Liu (劉家碩),Yirong Deng (鄧一榮),Jianzhong Song (宋建中),Ping’an Peng?(彭平安). 2025. Coupling of sulfate reduction and dissolved organic carbon degradation accelerated by microplastics in blue carbon ecosystems. Water Research,279,123414.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123414
圖1.?不同粒徑及濃度微塑料對硫酸鹽還原速率、還原態(tài)硫物種生成和硫酸鹽硫同位素分餾的影響
圖2. 不同粒徑與濃度PLA微塑料對上覆水和沉積物中溶解性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化及CO2生成的影響
圖3.?毫米級與微米級聚乳酸微塑料存在下硫酸鹽還原菌（Desulfopila、 Desulobacter、?Desulfobulbus）和發(fā)酵菌（Anaerovorax、Acetobacteroides）相對豐度與SO42-濃度（A-E）、δ34S (F-J)和CO2排放量（K-O）的相關(guān)性
圖4.?70天厭氧培養(yǎng)后μm-PLA和 mm-PLA微塑料存在下Desulfopila、Desulfobacter及Desulfobulbus屬編碼碳-硫循環(huán)相關(guān)功能基因的情況
附件下載：