淡水湖泊中微塑料表面自然生物膜形成过程与特征及其对微塑料垂向迁移和氮、磷循环的影响

In recent years, ecological and environmental issues associated with microplastic pollution attracted widespread concern internationally. Many studies have demonstrated that microplastics are ubiquitous in both marine and inland water systems. Once entering the aquatic ecosystem, the surface of microplastics can be colonized by microbes forming a layer of periphytic biofilm. Periphytic biofilm attachment can alter the physical-chemical properties of microplastics, and change their environmental behavior, fate and effect subsequently. However, our knowledge on the development and characteristics of periphytic biofilm on microplastics and the effects of this process is extremely limited, especially for freshwater systems. Therefore, this proposal is going to use Donghu Lake in Wuhan City as an example. Firstly, field survey will be performed to illustrate the characteristics of microplastics and the attached periphytic biofilm in Donghu Lake. Then, field and laboratory experiments will be carried out to reveal the key factors affecting the development and characteristics of periphytic biofilm on microplastics, and to demonstrate how this process affects the vertical transport of microplastics. Finally, laboratory experiments will be used to study and assess the influence of microplastics and the associated periphytic biofilm on nitrogen and phosphorus cycle. This work will enhance the understanding on the fate and impact of microplastics，and provides scientific bases for microplastic pollution prevention and environmental impact assessment in freshwater lakes.

近年来，微塑料污染的生态环境问题引起了国内外广泛关注。大量研究表明，微塑料污染在海洋环境和内陆水体中普遍存在。进入到水生态系统中的微塑料，其表面可供微生物附着生长并形成自然生物膜。自然生物膜的形成会导致微塑料物理化学性质的改变，从而影响其环境行为、归趋和效应。然而，目前人们对水生态系统，尤其是淡水水体中微塑料表面自然生物膜形成过程及影响的认识还极为有限。因此，本项目拟以武汉东湖为例，首先通过野外调查，阐明东湖微塑料及其表面自然生物膜的特征；在此基础之上，开展野外及室内实验，揭示微塑料表面自然生物膜形成过程、特征及其关键影响因素，并说明该过程对微塑料垂向迁移的影响；最后，通过室内实验，研究和评估微塑料及其表面附着生长的自然生物膜对湖泊氮、磷循环的影响。本研究将增进人们对淡水湖泊中微塑料环境归趋和影响的认识，并为淡水湖泊微塑料污染防控及环境影响评价提供科学依据。

微塑料是近年来引起人们高度关注的一类新型污染物。研究发现其在各种环境介质中普遍存在。进入到水环境中的微塑料，其表面为微生物附着生长提供了载体。自然生物膜的形成会导致微塑料物理化学性质的改变，从而影响其在水生态系统中的行为、归趋和效应。因此，本项目拟对典型淡水湖泊中微塑料表面自然生物膜形成过程、特征及关键影响因素，淡水湖泊中自然生物膜附着生长对微塑料垂向迁移过程的影响及作用机理，微塑料表面自然生物膜附着生长对淡水湖泊水体及沉积物中氮、磷循环影响与评价等内容开展研究。通过野外及室内模拟实验，发现微塑料进入湖泊后表面容易形成自然生物膜，自然生物膜由藻类、细菌、真菌及无机颗粒物等共同组成并能够增加微塑料的密度，从而影响微塑料在湖泊水体中的垂向迁移。自然生物膜通过吸附、吸收和生物转换等过程影响水体中的氮、磷循环。能够促进硝化反硝化过程，并能作为磷的暂时储库。因此，进入湖泊生态系统中的微塑料污染物通过为自然生物膜的形成提供载体，间接影响湖泊中的元素循环。相比湖泊中存在的天然元素循环循环过程，微塑料的贡献取决于其存在的总量。与对沉积物的影响相比，微塑料表面附着生长的生物膜对水体中元素循环的影响更大。本研究的相关研究结果表明，自然生物膜形成能够促进微塑料从水体向沉积物中迁移，从而导致沉积物成为湖泊中微塑料重要的汇。同时，由于微塑料表面自然生物膜的形成，能够通过自然生物膜间接影响湖泊生态系统氮、磷等元素循环。相关研究结果为微塑料管控和风险评估提供了重要参考。