盐度和硝酸盐对微塑料表面生物膜形成的影响及微塑料生物效应研究

Understanding the fate and transport behavior of microplastics in ocean environments is essential and crucial to the safety and also the sustainable development of oceans. Previous studies found that biofilm formed on microplastic surfaces played an important role in the transport of microplastics. Both salinity and nitrate concentration in coastal areas will affect the biofilm formation on microplastic surfaces. However, no study has reported on these issues. In addition, the biological effect of biofilm-attached microplastics also needs to be studied. The lack of these knowledge will affect the evaluation of potential environmental risk of microplastics. This project tries to investigate the effect of salinity and nitrate concentration on the morphology and structure of biofilm formed on various types of microplastics (PE, PVC, PS and PP) via batch experiments. Meanwhile, XDLVO theory will be employed to discuss the interfacial interaction between biofilm and microplastic surfaces. At last, the settlement behavior of microplastics with and without the presence of biofilm and also their biological effect to oyster will be further studied. The results of this study will give insights to predict the transport behavior and biological effect of microplastics in real ocean environments.

微塑料在海洋环境中的迁移行为是海洋安全和可持续发展亟需解决的重要基础课题。已有研究发现微塑料表面生物膜的形成在微塑料的迁移过程中起重要作用。可以推测的是，海岸带盐度和硝酸盐含量都会对塑料表面生物膜的形成产生影响，然而目前未有此方面的报道。此外，附着生物膜的微塑料的生物效应也有待研究。这些知识的缺失将影响人们对微塑料环境风险作出正确的评估。本项目拟采用挂膜实验研究盐度和硝酸盐对不同类型塑料（聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯）表面生物膜形态和结构的影响。同时，利用XDLVO理论解析生物膜与塑料之间的界面作用，探索生物膜的形成与塑料特性和溶液化学条件之间关联。然后，考察比较有/无生物膜附着的微塑料的沉降行为及其对牡蛎的生物效应。预期成果将为准确预测真实海洋环境中微塑料的迁移行为和生物效应提供理论基础。

近年来，微塑料的环境影响得到了全世界专家学者的广泛关注。微塑料的环境行为是微塑料研究领域的核心科学问题。在项目的开展中，首先，针对微塑料表面生物膜的形成，以往的研究大都关注环境中塑料表面微生物的群落结构分析，但是微生物附着的机理机制却不甚明晰，本研究主要关注的是微塑料表面微生物的附着及其与塑料之间的界面作用及机理机制。研究考察了聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯这四类环境中大量存在的塑料表面微生物的附着行为，研究发现，微生物在硬度较小的塑料（聚乙烯、聚氯乙烯）表面的附着要大于在硬度较大的塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯）表面，硬度是影响微生物在塑料表面附着的关键因素。其次，我们发现环境相关的盐度和硝酸盐浓度范围下，微生物在塑料表面的附着没有显著性差别。然后，针对微塑料在环境中会进一步变成纳米塑料，我们还探究了不同溶液化学条件下纳米塑料的团聚行为，研究发现相比于NaCl和CaCl2溶液，FeCl3溶液更容易引起纳米塑料团聚，同时我们发现，天然有机质的存在对NaCl和CaCl2溶液中纳米塑料的团聚基本没有影响。而在低离子强度FeCl3溶液中，天然有机质的存在会减弱纳米塑料的团聚；高离子强度FeCl3溶液中，天然有机质的存在会增强纳米塑料的团聚。除DLVO作用力外，颗粒表面电荷异质性、天然有机质的空间位阻和共存离子的架桥作用共同影响纳米塑料的团聚行为。最后，我们考察了微塑料表面的生物膜对微塑料沉降行为的影响。研究发现，生物膜的附着会增加聚乙烯微塑料的密度，导致其向水体底部沉降。研究成果为准确认识微塑料（纳米塑料）在环境中的迁移和归趋提供了理论基础。