Enhanced aging of polystyrene microplastics in sediments under alternating anoxic-oxic conditions  

交替缺氧-有氧條件下沉積物中聚苯乙烯微塑料的增強老化  

來源：Water Research, Volume 207, 2021, Article number 117782  

《水研究》第207卷，2021年，文章編號117782  

 

摘要內容：  

研究通過野外原位實驗和沉積物柱模擬，首次證實交替缺氧-有氧條件顯著促進沉積物中聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）的老化。在2個月實驗中，交替條件下的PS-MPs重量損失（4.6%）和O/C比增幅（0.10-0.11）是靜態條件的1.7-6.8倍。機制研究表明，鐵還原菌（如Geobacter）驅動的鐵氧化還原循環在交替條件下產生高濃度羥基自由基（·OH），其通過氧化作用導致PS-MPs表面蝕刻、分子量降低和含氧官能團增加。這一發現揭示了黑暗環境中微生物介導的化學降解對微塑料老化的關鍵作用。  

 

研究目的：  

1. 揭示不同氧化還原條件（靜態缺氧/有氧 vs 交替缺氧-有氧）對沉積物中PS-MPs老化的影響差異  

2. 闡明交替缺氧-有氧條件下微生物群落演替與·OH生成的關聯機制  

3. 為潮間帶、稻田等周期性淹水環境中微塑料風險評估提供理論依據  

 

研究思路：  

1. 野外原位實驗：在閩江河口潮間帶設置靜態缺氧（水深區）、靜態有氧（灘涂區）、交替缺氧-有氧（潮間帶區）三組處理，埋置PS-MPs薄膜2個月（圖1A）  

 

2. 沉積物柱模擬：實驗室構建沉積物柱，精確控制氧化還原條件（缺氧：O?≤20μM；有氧：O?≥130μM），周期6小時交替  

3. 多維度老化表征：測定重量損失、O/C比（XPS）、分子量（GPC）、表面形貌（SEM）、疏水性（接觸角）  

4. 機制解析：結合微生物群落分析（16S/ITS測序）、·OH產量檢測（HPLC測p-BHA）、鐵形態分析（Ferrozine法）及純培養驗證（Shewanella oneidensis MR-1）  

 

測量數據及其研究意義：  

1. 重量損失與O/C比（圖1A,B）：  

   ? 數據：交替條件下重量損失達4.6%（原位）和3.4%（柱實驗），是靜態條件的1.7-6.8倍；O/C比增幅0.10-0.11  

 

   ? 意義：首次量化交替氧化還原條件對MP老化的增強效應，證明黑暗環境中存在高效降解路徑  

 

2. 分子量變化（圖1C,D）：  

   ? 數據：交替條件下Mn（數均分子量）降低13-21%，GPC峰向低分子量偏移  

 

   ? 意義：證實交替條件促進聚合物鏈斷裂，導致微塑料脆化與碎片化風險升高  

 

3. 表面特性（圖2）：  

 

   ? 數據：SEM顯示交替條件下表面凹坑增多（圖2C,D）；接觸角降至最?。▓D2A,B）；XPS檢測到C-O/C=O基團增加（圖2E,F）  

 

   ? 意義：表面氧化與粗糙化增強污染物吸附能力（如重金屬吸附量可增加40-170%）  

 

4. 微生物群落（圖3,4）：  

 

 

   ? 數據：交替條件下鐵還原菌Geobacter相對豐度最高（圖4）；OTU分析與靜態缺氧組相似度高  

 

   ? 意義：揭示鐵循環微生物在驅動·OH生成中的核心作用  

 

5. ·OH與鐵循環（圖5,6）：  

 

 

  ? 數據：交替條件下·OH產量最高（圖5C），與Fe(II)濃度顯著正相關（R2=0.5678，圖5D）；純培養驗證·OH清除劑使老化程度降低90%（圖6B）  

 

   ? 意義：證實微生物介導的鐵氧化還原（Fe(II)/Fe(III)循環）是·OH產生的主要途徑  

 

結論：  

1. 老化增強效應：交替缺氧-有氧條件使PS-MPs老化程度顯著高于靜態條件，重量損失與O/C比增幅達2-6倍  

2. 核心機制：鐵還原菌（如Geobacter）驅動Fe(II)/Fe(III)循環，通過Fenton反應產生·OH，直接氧化降解PS-MPs  

3. 環境啟示：潮間帶、稻田等周期性淹水環境是微塑料降解熱點區域，老化MPs因表面氧化增強污染物吸附與生物可利用性  

4. 應用價值：為污水污泥中微塑料的工程化去除（如調控氧化還原條件）提供新思路  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense OX-N微電極（2.3節）原位監測沉積物溶解氧動態：  

1. 高分辨率氧化還原診斷：毫米級垂向剖面（如潮間帶區缺氧期O?≤20μM，有氧期≥130μM）精準量化沉積物微環境變化，為"交替條件"提供嚴格定義  

2. 關聯微生物代謝：電極數據證實交替條件創造動態氧化還原梯度，促進鐵還原菌（缺氧期）與鐵氧化菌（有氧期）的協同作用（圖4），解釋·OH峰值產生位點  

3. 驗證實驗設計：實時O?監測確保柱實驗中交替周期（6小時）的精確執行，排除靜態條件的干擾，為機制研究提供可靠環境背景  

4. 技術優勢：避免采樣擾動，原位捕捉短周期（小時級）氧化還原波動對微生物鐵循環的調控作用，彌補傳統化學分析的時間分辨率不足