New insights into the vertical distribution and microbial degradation of microplastics in urban river sediments  

城市河流沉積物中微塑料垂直分布與微生物降解的新見解  

來源：Water Research, Volume 188, 2021, Article number 116449  

《水研究》，第188卷，2021年，文章編號116449  

 

摘要內容：  

摘要揭示沉積物是微塑料（<5mm）的重要儲庫，其分布和降解過程復雜。本研究通過分析秦淮河沉積物0-50cm垂直剖面發現：  

1. 微塑料濃度隨深度增加（淺層20.42±9.38 items/kg → 深層46.92±13.34 items/kg），小粒徑（<2mm）占比在深層達63.5%；  

2. 接觸角測量（87.3°→99.5°）、SEM（表面粗糙度增加）和FTIR-ATR（羰基透射率2.8%→4.9%）證實深層微塑料降解更顯著；  

3. 微塑料表面富集塑料降解菌（平均豐度21.37% vs 沉積物4.33%），且其在共生網絡中的中心性隨深度增強；  

4. DO是影響降解菌分布的關鍵因子，厭氧/兼性厭氧菌（如Halomonas）在深層主導降解過程。  

 

研究目的：  

1. 揭示河流沉積物垂直剖面中微塑料的尺寸分布規律；  

2. 比較微塑料與沉積物微生物群落結構的差異；  

3. 探究沉積物深層微塑料的潛在生物降解機制。  

 

研究思路：  

1. 采樣設計：南京秦淮河15個點位采集50cm沉積柱（圖1），切片為5層（0-10cm, 11-20cm, 21-30cm, 31-40cm, 41-50cm）；  

 

2. 微塑料分析：密度分離+FTIR鑒定類型（PE占48%、PP占32%），統計濃度、尺寸分布（圖2）；  

 

3. 降解表征：接觸角儀、SEM、FTIR-ATR分析表面物化變化（圖3）；  

 

4. 微生物分析：16S rRNA測序比較微塑料與沉積物微生物群落，篩選指示性塑料降解菌（33個屬）；  

5. 環境參數：Unisense電極測量DO剖面，同步檢測TOC、氮形態等（表1）。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 微塑料垂直分布（圖2，表2）  

   ? 數據：深層（41-50cm）微塑料濃度最高（46.92±13.34 items/kg），小粒徑（<2mm）占比63.5%；淺層（0-10cm）大粒徑（4-5mm）占40.5%。  

   ? 意義：證實微塑料向深層遷移并碎片化，提示地下水污染風險。  

 

2. 微塑料表面變化（圖3）  

   ? 數據：接觸角從淺層87.3°增至深層99.5°；SEM顯示深層表面裂紋增多；FTIR羰基峰（1900-1600cm?1）透射率升高。  

   ? 意義：物化證據支持微生物降解導致微塑料疏水性增強和表面侵蝕。  

 

3. 微生物群落差異（圖4-5）  

   ? 數據：微塑料表面降解菌豐度（21.37%）顯著高于沉積物（4.33%）；PCA顯示兩類群落明顯分離（圖5c）。  

   ? 意義：微塑料選擇性富集降解菌，其膜轉運功能（圖4a）和異源物質降解能力（KEGG level 2）更強。  

 

 

4. 共生網絡結構（圖6）  

   ? 數據：微塑料網絡模塊性（0.632）低于沉積物（0.712），正相關性更高（圖6e-f）；降解菌在深層網絡中心性顯著增強（圖6h）。  

   ? 意義：微塑料表面菌群合作性強但穩定性低，深層降解菌起關鍵調控作用。  

 

5. 環境驅動機制（圖7）  

   ? 數據：DO與降解菌豐度顯著負相關（r=-0.616）；深層DO<0.5μmol/L時，兼性厭氧菌Halomonas豐度達26%。  

   ? 意義：DO下降促進厭氧降解菌富集（圖7d），驅動深層微塑料生物降解。  

 

結論：  

1. 微塑料在深層沉積物中碎片化（小粒徑占比高），濃度隨深度增加，遷移風險升高；  

2. 微生物降解是主要機制，深層微塑料表面侵蝕、疏水性增強及羰基化證實此過程；  

3. 微塑料特異性富集降解菌（如Pseudomonas、Halomonas），其在深層網絡中心性增強；  

4. DO梯度調控降解菌群落，低氧環境促進兼性厭氧菌主導降解。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細解讀：  

Unisense微電極系統用于沉積物溶解氧（DO）剖面高分辨率測量：  

1. 數據功能：  

   ? 直接獲取沉積物-水界面（SWI）至50cm深度的DO濃度梯度（表1），如A點DO從5.4μmol/L（0-10cm）驟降至0.2μmol/L（41-50cm）；  

 

   ? 揭示氧化還原分區：淺層（<10cm）好氧→中層微氧→深層嚴格厭氧。  

 

2. 研究意義：  

   ? 關聯微生物活性：DO梯度與降解菌分布顯著相關（圖7c-d），為厭氧菌（如Halomonas）在深層降解微塑料提供環境解釋；  

 

   ? 量化降解條件：DO<1μmol/L時，兼性厭氧菌相對豐度上升26%（圖7d），明確低氧觸發降解菌群落演替；  

 

   ? 技術優勢：原位實時監測避免取樣擾動，數據精度達μmol/L級，支撐降解機制的物化-生物耦合分析。