重庆大学李宏团队：微塑料促进了细菌定殖并诱导了藻毒素降解

摘要：微塑料(MPs)可以吸附有毒物质并被微生物定殖。然而，吸附的有毒物质与MPs生物膜之间的相互作用仍未得到充分了解。本研究进行了为期37天的实验，以研究聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)在湍流场景中对微囊藻毒素(MC-LR)行为的影响。结果表明，PS-MPs的吸附是导致水生MC-LR浓度快速降低的主要过程。随着微生物在PS-MPs上的定殖，附着的生物膜改变了PS-MPs的表面性质，从而增强了MC-LR的生物吸附。同时，微囊藻毒素降解细菌，如鞘氨醇杆菌科和嗜甲基菌科，栖息在生物膜中，促进了MC-LR的生物降解；鉴定的微囊藻毒素降解产物也证明了这一点。因此，水中的MC-LR浓度不断降低，在PS-MP添加组中最大去除能力为35.8%。此外，在添加静态水的PS-MP中显示了25%的微囊藻毒素去除率。这表明PS-MP、生物膜和微囊藻毒素之间的相互作用可能在天然水域中普遍存在。研究结果表明，作为有毒物质载体的MP可能是一把双刃剑（吸附和生物降解），这为了解微塑料的生态风险提供了新的见解。

 

1.介绍

鉴于对塑料的广泛需求，全球塑料产量急剧增加，2019年达到3.68亿吨。直径小于5毫米的塑料颗粒被定义为微塑料 (MPs)。由于MPs的耐用性和产量不断增加，现在它们在环境中无处不在，因此它们的生态风险引起了全球关注。MPs的大比表面积和疏水性使其容易成为各种污染物的载体。大量研究证实，MPs可以吸附多种有毒物质，如抗生素和杀菌剂。在本研究中，在近似均匀湍流模拟系统（AHTS）中进行了微观实验，以研究微塑料、细菌群落和有毒物质在湍流场景中的行为之间的相互作用。微囊藻毒素对水生生物和人类有剧毒，但在一定条件下可以生物降解，被选为有毒物质的代表。本研究旨在：1)评估含有聚苯乙烯微塑料的湍流水中微囊藻毒素浓度的动态变化；2)说明在聚苯乙烯微塑料表面形成的生物膜；3）阐明生物膜在塑造聚苯乙烯微塑料和微囊藻毒素之间相互作用中的作用。这项研究的结果有望为了解微塑料在水生环境中的生态风险提供新的见解。

2.材料和方法

 

图 1。本研究中的实验设计示意图。a 说明了 AHTS 的物理结构，b 描述了 5 种实验处理。

2.MC-LR及其降解产物的测定：

使用HPLC-电喷雾串联质谱(HPLC-ESI-MS/MS)分析进一步测定第37天的MC-LR降解产物。使用Hypersil GOLD? 色谱柱(2.1mm×100mm)进行色谱分离。流动相由含有0.1%甲酸的水(A) 和含有 0.1%甲酸的乙腈(B) 组成。柱温40℃，进样量10μL。流速为0.3mL/min。梯度洗脱方法根据先前描述的方案进行编程。质谱通过使用Thermo-FinniganLCQ优势离子阱质谱仪（Thermo-Finnigan，San Jose，CA，USA）从m / z 100–1200 进行全扫描，以正离子模式获得数据。然后将 HPLC 洗脱液电喷雾离子化，毛细管温度设置为 325 °C，源电压设置为 5 kV。使用 35 eV 的碰撞诱导解离以数据相关的方式获得 MS/MS 光谱。

3.PS-MPs 上生物膜和细菌群落的表征：

傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱 (4000–400 cm -1，分辨率 4 cm -1 ) 使用 FTIR 光谱 (Nicolet iS50, Thermo Fisher Scientific, US) 对所有原始和收集的 PS-MPs 样品进行。样品预先冷冻干燥 24 小时，将一小勺 PS-MP 放在 ATR 晶体上并用压力施加器压下。

4.结果

4.1.AHTS系统中的微囊藻毒素去除

在AHTSⅣ、AHTSⅡ、AHTSⅤ中，MC-LR浓度持续下降，直到第25天。达到最大值后，随着孵育时间的增加，每个处理中微囊藻毒素的去除百分比保持相对稳定，第37天的MC-LR去除率分别为35.8%、28.2%、24.9%和12.6%（图 2）。这表明在处理Ⅳ和Ⅱ中，由于聚苯乙烯微塑料的吸附和土生微生物的降解，微囊藻毒素可以显着降低。

 

图 2。不同处理中MC-LR浓度的动态变化。

4.2.PS-MPs表面上的生物膜形成

AHTS Ⅲ中PS-MPs的CLSM图像显示，在潜伏期内观察到几乎完全的生物膜栖息（图4）。培养37天后，附着在聚苯乙烯微塑料上的微生物变得丰富，并且还观察到了明显的EPS基质。与AHTSⅤ相比，AHTSⅣ的微生物数量较少，EPS较少，表明在湍流水中生物膜的形成受到抑制。在AHTSⅤ中的PS-MPs上记录到最丰富的荧光，表明水中的静态但悬浮的PS-MPs对微生物具有更高的亲和力，这由具有活细胞和EPS生产的复合结构所揭示（图 4）。在所有生物膜中都观察到死微生物（用 PI 染成红色）和活微生物。

 

图 4。AHTSⅢ、Ⅳ、Ⅴ第37天PS-MPs的CLSM图像。

4.3MC-LR降解产物

如图6所示，质谱中的每个条表示具有特定质荷比( m/z )的离子。微囊藻毒素在3.5分钟时被洗脱，在m/z 498.3 和 995.6 处检测到分子离子，分别对应于[M+2H]²⁺和 [M+H]⁺。降解产物分析表明，研究期间微囊藻毒素的相对强度未显示AHTSⅠ（图6a ，b）和AHTSⅢ（图6e ，f）有明显变化。m/z 331处的碎片离子，微囊藻毒素的一种特定代谢物(He et al., 2020 )，在 AHTS Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ 培养37天后观察到。在AHTS Ⅱ（图6 c、d）和AHTS Ⅴ（图6 i、j）中，培养37天后微囊藻毒素的峰值略有下降。微囊藻毒素相对强度降低最明显的是AHTS Ⅳ（图 6 g，h），其中 微囊藻毒素的峰值在孵育37天后显着降低，而碎片离子的峰值AHTSⅣ中m/z 331 的值显着高于其他处理，这意味着在湍流情景中降解了更多的微囊藻毒素。

 

图 6。使用 HPLC-ESI-MS/MS 光谱进行光谱分析和产品鉴定。ab、cd、ef、gh、ij分别为AHTSⅠ-AHTSⅤ实验前后采集的水样。

5.讨论

5.1聚苯乙烯微塑料对微囊藻毒素的吸附有助于快速去除毒素

本研究表明，在湍流水中，PS-MPs参与了微囊藻毒素从水柱中的去除，在此过程中PS-MPs对微囊藻毒素的吸附和生物膜对微囊藻毒素的生物降解建立在PS-MPs表面的可能会发挥至关重要的作用。

5.2.生物膜的形成通过吸附和降解增强了微囊藻毒素的去除

MPs是微生物定殖的有效底物，因为它们体积小、疏水表面粗糙、半衰期长，形成了一个被称为“塑料球”的小生态位。生物膜的形成增加了MPs的表面积和孔隙率，这可能促进污染物的积累。

5.3聚苯乙烯微塑料暴露的湍流比静态条件更有利于MC-LR的去除湍流可以放大颗粒与其他污染物的碰撞，从而将更多的污染物转移到颗粒表面

5.4.环境影响

污染物在MPs上的吸附可以增强污染物在水生环境中的迁移并诱导食物链中有毒污染物的生物放大。这些结论是通过批量吸附实验或测定从田间收集的微塑料上吸附的污染物而得出的。以前的报告表明，微塑料作为载体的作用可能会增加微塑料污染的负面影响。最近，人们认识到微塑料对污染物和生物群都表现出高亲和力，并且它们之间的相互作用很可能会影响污染物和微塑料MPs的负面影响。具体来说，生物膜覆盖的 微塑料在其表面积累了大量污染物，并为污染物降解细菌提供了栖息地。这可能有助于污染物的生物降解。增加的生物降解可以降低水生环境中的污染物浓度。这一发现更好地阐明了微塑料的实际风险及其在水生环境中的复杂影响。

6.结论

目前的研究评估了添加湍流水的聚苯乙烯微塑料中微囊藻毒素浓度的动态。结果表明，PS-MPs对微囊藻毒素表现出很强的吸附能力。然后在聚苯乙烯微塑料上检查微生物的定殖。随着PS-MPs表面生物膜的形成，聚苯乙烯微塑料的表面性质发生了显着变化，从而引发了微囊藻毒素的生物吸附。此外，随着聚苯乙烯微塑料与水中生物群之间的相互作用增强，微囊藻毒素降解细菌，如鞘氨醇单胞菌科和嗜甲基菌科，在塑料球中被检测到。这与微囊藻毒素生物降解产物的鉴定一致。因此，吸附、生物吸附和生物降解导致水中的微囊藻毒素减少了大约36%。这些由聚苯乙烯微塑料引发的联合效应在湍流水中比在静态水中更明显。结果表明，作为污染物载体的微塑料的真正生态和环境风险可能需要额外评估。