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成果简介
近日，广东工业大学生态环境与资源学院陈姗姗教授课题组和福建农林大学资源与环境学院周顺桂教授团队在无氧-有氧区域的微塑料（microplastic, MP）降解研究方面取得重要进展，在环境领域著名期刊《Water Research》等上发表系列论文。从野外原位底泥实验、实验室泥柱实验及纯菌实验三个层面，证实铁还原菌驱动的类芬顿反应产生的羟基自由基（•OH）可以促进聚苯乙烯MP的降解，为微生物驱动类芬顿反应在自然界降解MP中的作用提供了直接证据，也为微生物降解微塑料研究提供了一种新的思路。
引言
环境中MP分布广泛、尺寸微小（< 5 mm），污染作用持久，对生物生存造成的负面影响会威胁生态系统的健康与稳定，最终损害人类健康。MP的老化行为（也称降解、风化）是自然环境中普遍存在的现象，迄今为止被报道的MP老化行为大多发生在光照、开放和环境条件稳定的区域，而在黑暗和波动的无氧-有氧的区域却研究甚少。自然界中的交替无氧-有氧环境（如潮间带）是MP的集中分布区，随着淹水状态改变，其氧化还原电位不断变化，因此也是自由基产生的热区，该区域可能存在独特的微塑料降解途径。
基于此，本研究首先采用野外原位底泥实验和泥柱实验对聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）在持续无氧、持续有氧、及交替无氧-有氧的底泥环境中的降解进行研究，随后以兼性厌氧的Shewanella putrefaciens 200为代表性异化铁还原微生物构建纯培养体系，揭示交替无氧-有氧环境中铁还原菌驱动的类芬顿反应产生•OH促进MP降解的机制。
图文导读
(1) 野外原位底泥及实验室泥柱中PS-MPs在交替无氧-有氧条件下的降解最快
南方潮间带底泥富含铁，本课题于福州闽江边选取持续好氧（常年不淹水区域）、交替无氧-有氧（因潮汐而间歇性淹水区域）、持续无氧（常年淹水区域）的不同位点进行PS-MPs的原位降解实验，以及在上述三个区域采集底泥构建土柱实验，模拟潮汐周期。
图1 野外原位底泥和实验室泥柱中PS-MPs的干重损失、O/C比 ((A) (B))，以及在不同的厌氧和好氧条件下的分子量(Mw/Mn) 变化 ((C) (D))
图2 野外原位底泥和实验室泥柱中PS-MPs的接触角 ((A) (B))，扫描电镜 ((C) (D))以及c1 s高分辨率XPS光谱 ((E) (F)) 的结果。
2个月后，野外原位底泥中PS-MPs在交替无氧-有氧条件下的失重和O/C比持续无氧及持续好氧条件下的失重和O/C比高约2倍；实验室泥柱中交替无氧-有氧条件下的PS-MPs的失重和O/C比\率分别是持续无氧及持续好氧条件下相应值的3倍和2倍。
(2) 交替无氧-有氧区域底泥中羟基自由基大量生成，铁还原微生物丰度最高
图3 (A) 有微生物和无微生物时泥柱实验中•OH的产生情况; (B) 有氧和无氧条件下泥柱实验的Fe(II)浓度及 (C) •OH的产生情况; (D) 泥柱实验中•OH产量与Fe(II)浓度的相关性。
图4 两个月泥柱实验后PS-MPs表面底泥和典型的铁还原菌和铁氧化菌在属水平上的统计
结果表明，泥柱实验中交替无氧-有氧条件下产生了•OH，且产生的•OH与Fe(II)含量呈正相关关系。随后对泥柱菌群结构进行的高通量分析发现铁还原微生物丰度最高，并且通过纯菌（Shewanella putrefaciens 200）实验证明，铁还原微生物在交替无氧-有氧环境产生•OH的过程中起重要作用。
前期大量研究表明，交替无氧-有氧环境下微生物驱动的类芬顿反应能够有效降解特定污染物，那么PS-MPs能否通过微生物驱动的类芬顿反应持续降解，以及如何降解值得探究。
(3) 异化铁还原微生物驱动的类芬顿反应产生•OH促进PS-MPs降解
基于上述实验现象，本课题组以乳酸钠代表环境中的有机物构建以Shewanella putrefaciens 200代表异化铁还原菌的纯培养体系，揭示交替无氧-有氧环境中铁还原菌驱动的类芬顿反应产生•OH的机制。
图5 微生物驱动的类芬顿反应处理14天后PS-MPs (A) 干重，(B) 分子量 (Mn/Mw)，(C) 扫描电镜(SEM)观察的表观和(D) 接触角的变化
图6 Shewanella putrefaciens 200驱动的类芬顿反应中 (A) Fe(II)，(B) H2O2和 (C)•OH的浓度变化
结果显示，纯培养体系中PS-MPs在体系以6 h为无氧-有氧交替周期的条件下降解程度最大，重量损失达6.1%，O/C比达0.6，水接触角下降至63.0°，表面出现数量多且尺寸达0.8 µm孔洞，含氧基团总量增多。结合微生物驱动的类芬顿反应生成•OH和自由基猝灭剂实验，证实MP降解是微生物驱动的类芬顿反应产生•OH的结果。
(4) 微生物驱动类芬顿反应降解PS-MPs的可能途径以及降解作用的可持续性
通过GC-MS检测PS-MPs在降解过程中的水溶性低分子量产物，检测出2-isopropyl-5-methyl-1-heptanol和nonahexacontanoic acid两种产物。结合ATR-FTIR、XPS和GC-MS数据，得到了微生物驱动的类芬顿反应降解PS-MP的可能途径。
由于•OH的强氧化性使其在氧化PS-MPs的同时无法避免会对微生物造成一定程度的损害，然而碳源可以促进微生物的生长和繁殖，为细胞提供碳支架。在12 h时为每组补充乳酸钠，以模拟实际环境涨潮带来的丰富有机质。实验结果证明及时补充碳源的情况下，•OH对微生物的损伤可以以促进微生物生长的方式得到弥补，且该过程中微生物的损伤不影响整个体系中•OH的生成。
图8 Shewanella putrefaciens 200菌株的电子传递系统活性和N-乙酰氨基葡萄糖含量
小结
本研究以野外交替无氧-有氧条件下的底泥中PS-MPs降解程度最高的现象为切入点，在实验室构建泥柱微宇宙体系及异化铁还原菌纯培养体系，揭示交替无氧-有氧环境中铁还原菌驱动的类芬顿反应产生的•OH可持续促进MP降解的效应与机制。本研究为微生物驱动的类芬顿反应在自然界降解MP过程中的作用提供了直接证据，并拓宽了可用于降解塑料的微生物类型。
参考文献及链接：
[1] Chen, S.; Yang, Y.; Jing, X.; Zhang, L.; Chen, J.; Rensing, C.; Luan, T.; Zhou, S.*; 2021. Enhanced aging of polystyrene microplastics in sediments under alternating anoxic-oxic conditions. Water Res. 207, 117782.
[2] Yang, Y.; Chen, J.; Chen, Z.; Yu, Z.; Xue, J.; Luan, T.; Chen, S. *; Zhou, S.; 2022. Mechanis ms of polystyrene microplastic degradation by the microbially driven Fenton reaction. Water Res. 223, 118979.
