微(納)塑膠,是指粒徑範圍從幾十納米到幾毫米的塑膠顆粒、薄膜、碎片、球團以及紡織纖維,其分散於環境介質中,肉眼往往難以分辨。2004年,發表在 Science期刊的文章“Lost at Sea:Where Is All the Plastic?”首次提出了微塑膠的概念。2014年,首届聯合國環境大會上指出,要對環境微(納)塑膠進行特別關注。在2015年第二届聯合國環境大會上,微(納)塑膠污染被列入環境與生態科學研究領域的第二大科學問題,成為與全球氣候變化、臭氧耗竭等並列的重大全球環境問題。
人工濕地(Constructed Wetlands)是類比自然濕地淨水過程的一種汙水處理系統,兼具景觀美化功能。微生物是人工濕地的重要組成部分,其中污染物的降解轉化主要由微生物完成。濕地系統被認為是攔截微(納)塑膠進入水體的理想屏障——微(納)塑膠隨污水進入人工濕地可被攔截在其中,減輕下游水生態系統的污染。但長期累積的微(納)塑膠會對人工濕地中的微生物產生怎樣的影響?在微(納)塑膠的持續影響下,人工濕地的汙水處理功能又是否會發生變化?
日前,西湖大學工學院鞠峰課題組與重慶大學環境學院陳一課題組開展合作研究,利用人工濕地小試裝置類比濕地淨水系統,聚焦濕地微生物組及系統的脫氮過程,運用高通量測序和網絡分析等分子生態學與生物資訊學方法解析了在濕地系統內,不同粒徑不同濃度的微(納)塑膠在累積過程中微生物群落結構的動態變化規律及微生物氮代謝功能的響應。此項研究成果於5月19日發表在環境領域國際頂級期刊《Water Research》,第一作者為西湖大學訪問學生、重慶大學環境學院博士生楊祥宇和西湖大學張璐博士,通訊作者為西湖大學工學院鞠峰教授和重慶大學環境學院陳一教授。
論文連結:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422005899
濕地系統是攔截微納塑膠進入水體的理想屏障
人工濕地作為汙水處理系統或河岸緩衝區,被認為是防止污染物進入開放水域的一道重要屏障。大量真實存在於各種環境介質中的微(納)塑膠,通過污水排放和雨水沖刷不斷彙集到污水系統和地表徑流,最後會流經濕地系統得到攔截和淨化後進入下游水體。重慶大學陳一教授團隊通過前期研究證實,人工濕地具有良好的微塑膠(96.7%-99.6%,DOI: 10.1016/j.watres.2022.118430)及納米粒徑顆粒(83.8%-86.6%,DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.121376)攔截能力。
圖1人工濕地實驗裝置實物與示意圖
鞠峰科研團隊聯合陳一教授團隊在校際合作框架搭建之際,共同開展了對人工濕地系統微(納)塑膠累積過程中,氮轉化、微生物群落動態演替和構建模式的響應機制探究工作,以期提升人工濕地在水體微(納)塑膠污染控制方面的應用潜力。
微納塑膠累積對濕地系統脫氮效能的影響
脫氮是人工濕地重要的淨水過程,主要由硝化和反硝化等功能微生物協同作用去除污水中的氮,以防止水體富營養化。研究團隊發現,短期毫/微米粒徑塑膠顆粒累積可促進濕地系統硝化過程,但長期累積會產生負面影響,且影響程度隨塑膠顆粒粒徑减小而增强;納米粒徑塑膠累積則始終對濕地系統硝化過程具有抑制作用。而對於反硝化過程,毫/微米級塑膠顆粒積累表現出促進作用,但納米塑膠會抑制反硝化過程,造成(亞)硝酸鹽累積,不過有趣的是這種負面影響會在濕地系統適應後逐步消失。針對上述觀察到的濕地脫氮效能變化,研究團隊進一步對濕地微生物群落的響應機制進行探究。
圖2人工濕地脫氮效能變化
微納塑膠累積對濕地微生物組的影響
通過對300天實驗期間濕地系統微生物的採樣分析發現,微生物群落結構隨著微(納)塑膠的積累而發生明顯變化。總體上,微(納)塑膠在濕地系統中長期積累可導致微生物豐富度和多樣性下降。塑膠粒徑和濃度均會影響對生物膜微生物群落的干擾程度,其中粒徑因素的影響大於濃度因素。
圖3濕地系統微生物群落多樣性變化
基於對微生物群落的共現網絡分析發現,在從微米到納米尺度的塑膠處理條件下,微生物共生模式(特別是物種分離)並非隨機改變,而是受塑膠顆粒粒徑和濃度共同調控。微(納)塑膠使濕地系統微生物共現網絡模式表現出“小世界”内容;同時脫氮功能微生物與其他微生物的共現程度新增,即可能互作更為密切,表明濕地系統中脫氮功能微生物在微(納)塑膠的干擾下,可能通過相互作用關係的改變適應其生態位變化。
圖4濕地系統脫氮功能微生物與其他微生物的共現網絡
通過分析濕地系統中細菌群落的動態演替規律,研究團隊發現納米塑膠對大部分硝化細菌(如Nitrospira和Nitrosomonas)均表現出顯著抑制作用,但對多數反硝化細菌並無明顯影響;毫米和微米塑膠處理組中的大部分硝化細菌(如Nitrospira和Nitrosomonas)和反硝化細菌(如Dechloromonas、Thauera和Zoogloea)豐度在塑膠累積後期呈現上升趨勢。
圖5濕地系統微生物動態演替情况
最後,研究團隊基於微生物群落16S核糖體RNA基因組成對氮代謝過程進行功能預測分析,發現反硝化酶基因(EC 1.7.2.1,EC1.7.2.5,EC1.7.2.4)在微米粒徑塑膠處理中得到顯著富集,這再次表明較大粒徑的塑膠對反硝化過程可能有促進作用。此外,固氮過程和亞硝酸鹽异化還原為氨過程的關鍵酶基因在納米塑膠長期累積影響下豐度均被削减。
圖6微生物氮代謝功能預測
該研究實驗歷時300天,通過長時間尺度研究對類比汙水處理的工程系統進行了效能及微生物群落響應的全面剖析。研究結果提供了塑膠顆粒對人工濕地汙水處理效能改變的重要證據,深入揭示了其背後的微生物群落響應機制,為管理和優化微(納)塑膠影響下的人工濕地和其他水處理工程系統提供了重要思路。