Enhanced aging of polystyrene microplastics in sediments under alternating anoxic-oxic conditions  

交替缺氧-有氧條件下沉積物中聚苯乙烯微塑料的增強(qiáng)老化  

來(lái)源：Water Research, Volume 207, 2021, Article number 117782  

《水研究》第207卷，2021年，文章編號(hào)117782  

 

摘要內(nèi)容：  

研究通過(guò)野外原位實(shí)驗(yàn)和沉積物柱模擬，首次證實(shí)交替缺氧-有氧條件顯著促進(jìn)沉積物中聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）的老化。在2個(gè)月實(shí)驗(yàn)中，交替條件下的PS-MPs重量損失（4.6%）和O/C比增幅（0.10-0.11）是靜態(tài)條件的1.7-6.8倍。機(jī)制研究表明，鐵還原菌（如Geobacter）驅(qū)動(dòng)的鐵氧化還原循環(huán)在交替條件下產(chǎn)生高濃度羥基自由基（·OH），其通過(guò)氧化作用導(dǎo)致PS-MPs表面蝕刻、分子量降低和含氧官能團(tuán)增加。這一發(fā)現(xiàn)揭示了黑暗環(huán)境中微生物介導(dǎo)的化學(xué)降解對(duì)微塑料老化的關(guān)鍵作用。  

 

研究目的：  

1. 揭示不同氧化還原條件（靜態(tài)缺氧/有氧 vs 交替缺氧-有氧）對(duì)沉積物中PS-MPs老化的影響差異  

2. 闡明交替缺氧-有氧條件下微生物群落演替與·OH生成的關(guān)聯(lián)機(jī)制  

3. 為潮間帶、稻田等周期性淹水環(huán)境中微塑料風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論依據(jù)  

 

研究思路：  

1. 野外原位實(shí)驗(yàn)：在閩江河口潮間帶設(shè)置靜態(tài)缺氧（水深區(qū)）、靜態(tài)有氧（灘涂區(qū)）、交替缺氧-有氧（潮間帶區(qū)）三組處理，埋置PS-MPs薄膜2個(gè)月（圖1A）  

 

2. 沉積物柱模擬：實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建沉積物柱，精確控制氧化還原條件（缺氧：O?≤20μM；有氧：O?≥130μM），周期6小時(shí)交替  

3. 多維度老化表征：測(cè)定重量損失、O/C比（XPS）、分子量（GPC）、表面形貌（SEM）、疏水性（接觸角）  

4. 機(jī)制解析：結(jié)合微生物群落分析（16S/ITS測(cè)序）、·OH產(chǎn)量檢測(cè)（HPLC測(cè)p-BHA）、鐵形態(tài)分析（Ferrozine法）及純培養(yǎng)驗(yàn)證（Shewanella oneidensis MR-1）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 重量損失與O/C比（圖1A,B）：  

   ? 數(shù)據(jù)：交替條件下重量損失達(dá)4.6%（原位）和3.4%（柱實(shí)驗(yàn)），是靜態(tài)條件的1.7-6.8倍；O/C比增幅0.10-0.11  

 

   ? 意義：首次量化交替氧化還原條件對(duì)MP老化的增強(qiáng)效應(yīng)，證明黑暗環(huán)境中存在高效降解路徑  

 

2. 分子量變化（圖1C,D）：  

   ? 數(shù)據(jù)：交替條件下Mn（數(shù)均分子量）降低13-21%，GPC峰向低分子量偏移  

 

   ? 意義：證實(shí)交替條件促進(jìn)聚合物鏈斷裂，導(dǎo)致微塑料脆化與碎片化風(fēng)險(xiǎn)升高  

 

3. 表面特性（圖2）：  

 

   ? 數(shù)據(jù)：SEM顯示交替條件下表面凹坑增多（圖2C,D）；接觸角降至最小（圖2A,B）；XPS檢測(cè)到C-O/C=O基團(tuán)增加（圖2E,F）  

 

   ? 意義：表面氧化與粗糙化增強(qiáng)污染物吸附能力（如重金屬吸附量可增加40-170%）  

 

4. 微生物群落（圖3,4）：  

 

 

   ? 數(shù)據(jù)：交替條件下鐵還原菌Geobacter相對(duì)豐度最高（圖4）；OTU分析與靜態(tài)缺氧組相似度高  

 

   ? 意義：揭示鐵循環(huán)微生物在驅(qū)動(dòng)·OH生成中的核心作用  

 

5. ·OH與鐵循環(huán)（圖5,6）：  

 

 

  ? 數(shù)據(jù)：交替條件下·OH產(chǎn)量最高（圖5C），與Fe(II)濃度顯著正相關(guān)（R2=0.5678，圖5D）；純培養(yǎng)驗(yàn)證·OH清除劑使老化程度降低90%（圖6B）  

 

   ? 意義：證實(shí)微生物介導(dǎo)的鐵氧化還原（Fe(II)/Fe(III)循環(huán)）是·OH產(chǎn)生的主要途徑  

 

結(jié)論：  

1. 老化增強(qiáng)效應(yīng)：交替缺氧-有氧條件使PS-MPs老化程度顯著高于靜態(tài)條件，重量損失與O/C比增幅達(dá)2-6倍  

2. 核心機(jī)制：鐵還原菌（如Geobacter）驅(qū)動(dòng)Fe(II)/Fe(III)循環(huán)，通過(guò)Fenton反應(yīng)產(chǎn)生·OH，直接氧化降解PS-MPs  

3. 環(huán)境啟示：潮間帶、稻田等周期性淹水環(huán)境是微塑料降解熱點(diǎn)區(qū)域，老化MPs因表面氧化增強(qiáng)污染物吸附與生物可利用性  

4. 應(yīng)用價(jià)值：為污水污泥中微塑料的工程化去除（如調(diào)控氧化還原條件）提供新思路  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense OX-N微電極（2.3節(jié)）原位監(jiān)測(cè)沉積物溶解氧動(dòng)態(tài)：  

1. 高分辨率氧化還原診斷：毫米級(jí)垂向剖面（如潮間帶區(qū)缺氧期O?≤20μM，有氧期≥130μM）精準(zhǔn)量化沉積物微環(huán)境變化，為"交替條件"提供嚴(yán)格定義  

2. 關(guān)聯(lián)微生物代謝：電極數(shù)據(jù)證實(shí)交替條件創(chuàng)造動(dòng)態(tài)氧化還原梯度，促進(jìn)鐵還原菌（缺氧期）與鐵氧化菌（有氧期）的協(xié)同作用（圖4），解釋·OH峰值產(chǎn)生位點(diǎn)  

3. 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)時(shí)O?監(jiān)測(cè)確保柱實(shí)驗(yàn)中交替周期（6小時(shí)）的精確執(zhí)行，排除靜態(tài)條件的干擾，為機(jī)制研究提供可靠環(huán)境背景  

4. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：避免采樣擾動(dòng)，原位捕捉短周期（小時(shí)級(jí)）氧化還原波動(dòng)對(duì)微生物鐵循環(huán)的調(diào)控作用，彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)分析的時(shí)間分辨率不足