《Journal of Hazardous Materials》：Microplastics pollution alters bacterial community in hyporheic sediments: A case study from the Beiluo River Basin
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微塑料在白河流流帶底泥中的分布特征及其對細菌群落的影響研究，發現平均豐度18.41±18.94 items·g?1，PET占比44%，小顆粒（<30 μm）占52%。揭示微塑料類型與尺寸通過改變環境因子間接調控細菌群落結構，其中PET與Acidobacteriota、Methylomirabilota呈顯著正相關，而PP、PTFE存在負相關，MP多樣性顯著抑制細菌α多樣性及群落結構。
卓張|孟洋楊|金喜 Song|南莉|陳俊航|唐斌|楊晨曦|盧傲然|楊世磊
中國陜西省西安市黃河流域環境模擬與生態健康重點實驗室，郵編710127
摘要
微塑料（MPs）作為一種新興污染物，廣泛存在于河流中，并通過聚集和沉積等過程在河床沉積物中積累。它們對生態系統和生物構成威脅，顯著影響細菌群落。然而，關于微塑料對河流河床沉積物中細菌群落影響的研究仍然相對有限。本研究調查了北洛河河床沉積物中微塑料的分布特征，并基于實地調查探討了環境因素、細菌群落與微塑料之間的關系。結果表明，微塑料的平均豐度為18.41 ± 18.94個·g-1，屬于中度污染。微塑料的主要聚合物類型是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，占44%），其中粒徑小于30 μm的顆粒占多數。微塑料的性質，尤其是聚合物類型和粒徑（<30 μm），是影響河床沉積物中細菌群落結構的關鍵因素。細菌對微塑料的反應表現出明顯的聚合物特異性。酸桿菌門（Acidobacteriota）和甲基奇異菌門（Methylomirabilota）與PET呈正相關，而與聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）呈負相關。此外，微塑料的多樣性與細菌α多樣性顯著負相關。偏最小二乘路徑建模進一步表明，沉積物性質通過調節微塑料多樣性和聚合物組成間接影響細菌群落，而微塑料多樣性則顯著抑制這些群落的結構和多樣性。本研究為北洛河河床沉積物中微塑料的生態風險評估提供了重要見解，并揭示了微塑料對細菌群落的潛在影響。
引言
微塑料（MPs）作為一種新興污染物，具有環境持久性、高遷移性和生物累積潛力[1]、[2]。其微小顆粒尺寸（<5 μm）使其具有強大的傳輸能力，能夠通過河流從陸地來源輸送到海洋環境[3]。然而，越來越多的證據表明，被河流輸送的微塑料并非全部直接進入海洋，而是滯留在河床沉積物中，尤其是在地表水與地下水活躍交換的河床沉積物（即河床下層）[4]。該區域具有復雜的水動力條件和高度的沉積物異質性，通過沉積、聚集和河床下層交換等過程促進微塑料的積累[5]、[6]。這種滯留顯著延長了微塑料在環境中的停留時間，可能加劇生態風險[7]。研究表明，河床沉積物是河流系統中微塑料的主要匯，其含量通常高于上層水體[8]、[9]。例如，在孟加拉國的蘇爾瑪河，沉積物中的微塑料含量（360–960個·kg?1）遠高于水柱中的含量（5–20個·L?1）[10]，在中國黃河的研究中也觀察到了類似的富集現象[11]。對中國玉龍河、法國艾因河以及印度西南海岸的沉積物研究也顯示，微塑料含量超過1000個·kg?1，其中聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）顆粒占主導[12]。然而，在洪水、河床擾動或河床下層交換強度變化等條件下，滯留的微塑料可能會重新懸浮并重新進入地表水[13]、[14]，使這一區域從暫時的“匯”轉變為潛在的“二次污染源”[15]。因此，明確河床沉積物中微塑料的空間分布對于理解其環境命運和生態影響至關重要。
除了作為污染物的過濾器外，河床下層還是多樣且代謝活躍的微生物群落的重要棲息地[16]。在動態氧化還原波動、活躍的碳氮循環以及豐富的有機物質的驅動下，沉積物中的微生物群落表現出高度的多樣性和功能復雜性，尤其是在沉積物-水界面處生態活動最為活躍[17]。微塑料在該區域的積累可能通過改變棲息地物理結構或作為重金屬和有機污染物等共存污染物的載體來干擾已建立的微生物網絡，從而重塑群落組成和功能[18]、[19]。這引發了人們對微塑料生態效應的日益關注。
目前對微塑料與微生物相互作用的理解主要來自土壤和水生生態系統中的受控實驗室研究[20]、[21]。這些研究表明，微塑料可以改變沉積物的物理化學性質，抑制關鍵酶活性（過氧化氫酶、多酚氧化酶和尿素酶），降低微生物多樣性，并改變細菌群落結構[22]。PVC通常比PE對硝化過程的抑制作用更強[23]，而添加低密度PE已被證明可以改變微生物群落結構并促進碳排放[24]。然而，自然河流系統中的微生物是在復雜多變的環境條件下發育的，它們對微塑料的反應可能受到多種環境因素的調節�；趯嵉氐淖C據表明，環境背景（如鹽度梯度或季節性變化）可以影響微生物在微塑料上的定殖和群落演替[25]、[26]�？傮w而言，這些發現表明微塑料的生態效應高度依賴于具體環境，強調了在真實復雜河流環境中進行實地研究的必要性。
本研究聚焦于北洛河，該流域經歷了快速的農業和工業發展，以及密集的人類活動[27]，導致了嚴重的微塑料污染[28]、[29]。微塑料主要富集在表層沉積物中，其中粒徑小于500 μm的顆粒占主導[30]。本研究的目標是：（1）描述北洛河河床沉積物中微塑料的空間分布特征；（2）評估其潛在的生態風險；（3）闡明環境因素和微塑料特性在重塑沉積物細菌群落中的相對作用。這項研究旨在深入理解微塑料在河床下層的生態效應，并為流域規模的微塑料污染風險評估和管理提供科學依據。
研究地點
研究地點
北洛河是本研究的主要研究區域。它發源于陜西省榆林市的定邊縣，流經黃土高原，最終在關中平原與渭河匯合。北洛河是渭河的一級支流，也是黃河的二級支流。其總流域面積為2.69×104平方公里，河道長度為680公里，是陜西省境內最長的河流[31]。
沉積物性質
圖S1顯示了不同采樣點沉積物的物理化學性質和營養成分。pH值范圍為7.62至8.87，平均值為8.20 ± 0.12。溶解氧（DO）濃度范圍為6.56至8.91 mg/L，平均值為7.60 ± 0.55 mg/L�？偟═N）和總磷（TP）的范圍相對較小，分別為0.10至0.40 g/kg和0.48至0.60 g/kg，平均值為0.18 ± 0.01 g/kg和0.54 ± 0.002 g/kg。總有機碳（TOC）的變化較大，范圍較廣。
北洛河河床沉積物中微塑料的分布特征
本研究發現北洛河河床沉積物中存在顯著的微塑料污染。表層水中的微塑料可以通過沉積作用迅速沉降到沉積物中[45]，或通過與懸浮顆粒形成聚集體而沉積[46]。對于低密度、小粒徑的顆粒，河床下層交換是它們在河床沉積物中積累的關鍵因素，這一過程受孔隙結構和水動力條件的影響[13]。同時，沉積物顆粒通過ζ電位吸附微塑料。
結論
研究結果表明，北洛河河床沉積物中微塑料的平均豐度為18.41 ± 18.94個·g-1，比以往報道的高出一個數量級。聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）是主要的微塑料類型，其中粒徑小于30 μm的顆粒占比最高。微塑料的分布表現出明顯的空間異質性，中游和下游區域的豐度顯著高于上游區域。
環境意義
研究表明，微塑料在河流河床下層的生態效應主要取決于其物理化學性質而非總體豐度。因此，風險評估應重點關注特定高風險聚合物（PET、PP）和小粒徑微塑料（<30 μm）。作為微塑料積累和轉化的關鍵區域，河床下層環境受沉積物性質和水動力條件的共同調控，這些因素共同決定了微塑料的傳輸和轉化。
CRediT作者貢獻聲明
楊晨曦：方法學研究。唐斌：正式數據分析。陳俊航：方法學研究、調查工作。南莉：正式數據分析、概念構思。楊世磊：調查工作。盧傲然：調查工作。金喜 Song：監督、項目管理、概念構思。孟洋楊：撰寫——審稿與編輯、方法學研究、數據管理。卓張：撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、調查工作、正式數據分析、數據管理。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能的財務利益或個人關系可能構成潛在的利益沖突：金喜 Song表示獲得了國家自然科學基金的支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的可能影響本文研究的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金重點項目（項目編號42230513）的支持。我們特別感謝編輯和匿名審稿人的寶貴意見和建議，這些意見提高了手稿的質量。
