微塑料影响下蓝藻胞外聚合物产生及特性变化研究

Microplastics pollution is a growing global concern affects the growth of cyanobacteria. Hetero-aggregation between microplastics and cyanobacteria changes the migration and transformation of organisms in aquatic environment. Extracellular polymer substance (EPS) as a ligament link between microplastics and cyanobacteria，its changes in the concentration and composition will directly affect the circulation and stability of organic matter in the ecosystem. Based on lab simulation experiments, this project firstly studies the influence of different microplastic physical properties on the changes of organic composition in EPS matrix. Advanced analysis methods such as Three-Dimensional Excitation Emission matrix Fluorescence Spectrophotometer (EEMs), Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-IR) and Gas Chromatography-Mass Spectrometer (GC-MS) are adopted to analyze the dynamic characteristics of EPS which affected by microplastics. In order to understanding the interaction effects between microplastics and cyanobacteria, the relationships among organic compositions, functional groups and the physicochemical characteristic changes in EPS matrix are explored. Environmental factors are considered to ultimately reveal the influence of microplastics on the production and characteristics changes of cyanobacterial EPS. The expected results provide theory basis to further study the possible environmental behavior of microplastics and cyanobacteria in the lake.

微塑料作为水体环境新兴污染物，不仅会影响蓝藻的生长，同时与蓝藻异相聚集体的形成也会改变水生环境有机体的迁移转化。蓝藻胞外聚合物（EPS）作为微塑料与蓝藻相互作用的关键纽带，在水体中的浓度及组成结构变化将直接影响生态系统物质循环及稳定性。本项目拟以湖泊环境中蓝藻EPS为研究对象，以室内模拟实验为基础，探明微塑料物理特性变化对蓝藻EPS絮体结构中物质组成变化的影响；利用同步荧光、GC-MS、FTIR等图谱技术，通过研究微塑料影响下蓝藻EPS动态变化特征，构建蓝藻EPS絮体物质组成、官能团变化与其理化特性变化的关联性，明确微塑料与蓝藻通过EPS产生的相互作用关系；结合环境因子，最终揭示在水环境中微塑料对蓝藻EPS产生及特性变化的影响。本项目的研究成果为进一步研究湖泊中微塑料与蓝藻通过EPS可能产生的环境行为，及生态系统中物质迁移转化提供理论依据。

微塑料作为水体环境的新兴污染物，不仅影响水环境污染物的迁移转化还会对水生生物带来严重的毒害作用。蓝藻作为水体环境主要的初级生产者，通过分泌的胞外聚合物（EPS）会与微塑料形成异相聚集体从而进一步影响水环境生态物质循环及稳定性。本项目首先以湖泊环境蓝藻为研究对象，通过添加不同浓度及粒径大小微塑料进行室内模拟培养，发现长时间微塑料作用下，蓝藻会优先分泌色氨酸类蛋白来应对小粒径高浓度微塑料带来的压力，并随着藻类生长动态调节EPS的有机组成最终使LB-EPS与TB-EPS中多糖、蛋白及腐殖类物质分布产生差异，导致各结构EPS芳香性、腐殖化程度及分子量大小的不同。其次通过吸附实验利用同步荧光、FTIR等图谱技术，发现藻类产生的EPS会与微塑料发生相互作用，且相互作用强弱受EPS分子量大小的影响。高分子量有机质由于芳香性较高，大分子多糖及芳香蛋白分别通过氢键及疏水性作用增强了与微塑料间的亲和性，为污染物提供更多的结合位点，从而抑制了微塑料中添加剂的释放。最后结合环境因子证实蓝藻EPS的分泌还会影响微塑料在水环境中的稳定性，分子量较小芳香性较低的EPS会通过包覆作用降低微塑料表面电荷，从而使微塑料在水环境中的稳定性增加。与Fe3+离子共同作用，在光照条件下会诱导微塑料产生活性氧自由基，从而导致微塑料表面亲水性含氧官能团的增多，静电斥力进一步增强使微塑料在水环境中更加稳定，生态暴露风险增强。综上，本项目的研究成果为进一步研究湖泊中微塑料通过蓝藻EPS可能产生的环境行为及生态系统中物质迁移转化提供了重要的理论依据。