研究簡介:本研究聚焦于利用底棲動物（以蘇氏尾鰓蚓Branchiura sowerbyi為模型）增強河岸沉積物中微塑料（MPs）的生物降解。由于微塑料具有高度聚合性和化學穩定性，其在自然環境中降解緩慢，尤其在作為重要“匯”的河岸沉積物中累積嚴重。研究團隊構建微宇宙實驗系統，對比有無底棲動物擾動條件下聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）三類典型微塑料的降解情況。結果表明，底棲動物的生物擾動顯著促進微塑料降解（P<0.05），使PS、PP和PLA的重量損失分別提高了2.08倍、2.19倍和1.68倍。機制研究表明，生物擾動通過雙重路徑加速降解：一是物理化學路徑，即通過改變沉積物氧化還原條件，顯著提升溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh），從而促進羥基自由基（·OH）的生成。這些活性氧攻擊微塑料分子鏈，導致其結構破壞和老化程度增加；二是生物路徑，即重塑微塑料表面“塑際”（plastisphere）的關鍵微生物群落。研究發現，氨氧化古菌（奇古菌門Thaumarchaeota）和細菌（硝化螺旋菌門Nitrospirae）等關鍵微生物在擾動后富集，并與微塑料降解密切相關。代謝組學分析進一步揭示，PLA降解的主要代謝產物為(?)-α-紅沒藥醇，而PS和PP則主要產生十六烷二酸。這些代謝途徑可能與硝化過程協同進行。該研究首次系統闡明了底棲動物通過耦合活性氧介導的非生物氧化與關鍵微生物驅動的生物代謝，共同促進微塑料向低分子量化合物轉化的新機制，為利用自然生態過程修復河岸帶微塑料污染提供了理論依據和技術思路。

Unisense微電極分析系統的應用

Unisense微電極對沉積物微環境進行高分辨率原位監測。使用了Unisense OX-25型溶解氧微電極，其具備微米級探針尖端，能夠精準穿透沉積物界面而不顯著破壞原有結構。實驗中將微電極固定于三維微操縱器上，以0.2 mm為間隔進行垂直剖面測量，確保數據具有高空間分辨率。unisense氧氣微電極用于測定沉積物-水界面以下0-3 cm剖面的氧濃度分布，結果顯示生物擾動使沉積物DO濃度顯著提升80.95%。通過同步測量同一剖面的Eh值變化，發現生物擾動組Eh值比對照組升高14.73%。

實驗結論

通過生物擾動（bioturbation），底棲動物Branchiura sowerbyi顯著增強了河岸沉積物中聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）三類微塑料的生物降解，其重量損失分別提高了2.08倍、2.19倍和1.68倍。微塑料降解由非生物因素（如活性氧）和生物因素（如微生物代謝）共同驅動，二者貢獻率分別為43.0–53.1%和46.9–57.0%。其中，非生物過程對石油基塑料（PS、PP）降解貢獻更大，而生物過程對可降解塑料（PLA）起主導作用。底棲動物擾動提升沉積物中的溶解氧和氧化還原電位，促進羥基自由基（·OH）生成，進而破壞微塑料高分子結構，提高其老化程度與可降解性。生物擾動顯著改變了微塑料表面“塑際”微生物組成，富集了包括奇古菌門（Thaumarchaeota）和硝化螺旋菌門（Nitrospirae）在內的關鍵功能微生物，這些微生物可能通過參與硝化等代謝過程協同降解微塑料。代謝組學分析表明，PLA降解的主要代謝產物為(?)-α-紅沒藥醇，而PS和PP則以十六烷二酸為主，提示不同塑料具有特異性的生物降解代謝通路。

圖1、生物擾動下MPS降解的特性。（a，d，g）河岸沉積物中生物擾動下的MP的重量損失、表面形態和FTIR光譜，以及原始MP（PPS、PPP、PPLA）、無生物擾動沉積物中的MP（PS、PP、PLA）和生物擾動沉積物中MP（DPS、DPP、DPLA）中羰基指數的變化。（b，e，h）O/C比值，即河岸沉積物中受生物擾動的MPS的相對比例（%）和C–O/C=O。（c，f，i）基于（Mw）的沉積物平均摩爾質量（Mn）、基于（Mw）的重量平均摩爾質量，以及在河岸沉積物中生物擾動下的MP的Mn/Mw。

圖2、生物因子和非生物因子對PS（a）、PP（b）和PLA（c）降解的貢獻。

圖3、河岸沉積物中生物擾動下溶解氧濃度（a）和氧化還原電位（b）的變化。DMPO–OH和DMSO-O2自旋加合物的EPR譜（c）。生物擾動對MPS污染下河岸沉積物溶解氧濃度（d）和氧化還原電位（e）的影響。羥基生成率與DO（f）、Eh（g）和Fe2+濃度（h）之間的關系。*P<0.05。CK，沉積物;CKD，含有底棲動物的沉積物。

圖4、塑料球中代謝物的組成（a–c），以及通過隨機森林分析篩選的關鍵代謝物（d–f）。AD、生物堿及其衍生物;B，苯類;LL，脂質和類脂分子;NNA、核苷、核苷酸及類似物;OAD，有機酸及其衍生物;ON，有機氮化合物;有機氧化合物（OO）;OHC，有機異源環化合物;PP、苯丙醇和多酮類。環中的紅色代表上調代謝物，綠色表示下調代謝物。

圖5、溶解氧（a）和氧化還原電位（b）的變化、?OH的生成速率（c）以及Fe2+的濃度（d）

結論與展望

本研究探討了利用底棲動物（蘇氏尾鰓蚓）增強河岸沉積物中微塑料（MPs）生物降解的新方法。微塑料因其化學性質穩定和高聚合度，在自然環境中降解緩慢，已成為新興污染物。河岸沉積物作為微塑料的重要匯，其污染對生態系統健康構成威脅。研究通過微宇宙系統模擬河岸環境，以聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）為典型微塑料，探究底棲動物生物擾動對降解的促進作用。實驗設置包含有無底棲動物和不同微塑料類型的對照與處理組，通過監測重量損失、表面形態和化學結構變化評估降解效果。研究結果表明，生物擾動顯著促進了微塑料的降解（P<0.05）。與無底棲動物的沉積物相比，PS、PP和PLA的重量損失分別增加了2.08倍、2.19倍和1.68倍。通過掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜分析發現，生物擾動導致微塑料表面裂紋增多，羰基指數和O/C比升高，表明其老化程度加劇。此外，微塑料的數均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）顯著下降，分散度（Mn/Mw）增加，證實了低分子量化合物的形成。本研究提出了微塑料的降解途徑·OH攻擊微塑料主鏈或側基，生成自由基中間體，隨后通過關鍵微生物（如奇古菌門和硝化螺旋菌門）的酶促反應轉化為低分子產物。這一過程可能與沉積物中的硝化作用并行發生，揭示了生物地球化學循環的耦合效應。

Unisense 超微呼吸系統是本研究中對沉積物微環境進行高分辨率原位監測的核心設備。在不同微塑料存在條件下，DO與Eh的同步監測為機理研究提供配套數據，Unisense微電極在本研究中作為關鍵監測設備，通過提供精確的微環境參數數據，從根本上支撐了生物擾動增強微塑料降解機制的闡釋，體現了高分辨率監測技術在環境過程研究中的重要性。本研究證實底棲動物可通過耦合活性氧介導的化學氧化與關鍵微生物驅動的生物代謝，有效增強微塑料在河岸沉積物中的降解，為發展基于生態工程的微塑料污染修復策略提供了新思路。