中国内蒙古高原沉积雪中微塑料的特征及其影响因素

于洪伟 ,  邵军荣 ,  贾华伟 ,  钢迪嘎 ,  马百文 ,  胡承志

工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 78 -87.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 78 -87. DOI: 10.1016/j.eng.2023.02.007
研究论文

中国内蒙古高原沉积雪中微塑料的特征及其影响因素

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Characteristics and Influencing Factors of Microplastics in Snow in the Inner Mongolia Plateau, China

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摘要

微塑料（MPs；< 5 mm）已成为全球最突出的环境污染问题之一。微塑料可通过大气迁移扩散至高海拔地区，然后随着降雨或降雪沉积到地表，对自然生态系统的结构和功能造成潜在威胁。陆地和水生生态系统中的微塑料会改变生物体的生长和功能特征。然而，全球气候变暖的背景下，沉积在雪中的微塑料带来的潜在危害却很少引人关注。本文对内蒙古高原地表积雪中采集的微塑料进行了定性和定量分析。结果表明，沉积雪样品中的微塑料相关浓度约为(68 ± 10)~(199 ± 22) MPs∙L-1，最常见的形态为纤维状，且聚合物组成种类多样，而微塑料的丰度和组成在很大程度上受人类活动的影响。高通量测序结果表明，不同微塑料污染特征的沉积雪样本中细菌和真菌的组成及丰度也不相同，同时微生物功能多样性方面也存在较大差异。微塑料可能对沉积雪中微生物的个体生长和功能表达会产生干扰作用。此外，研究结果还表明，城市中的功能生活区（如垃圾填埋场和郊区）的微塑料污染存在区域差异性。例如，来自发电厂的沉积雪样本中的微塑料丰度最高，而来自郊区的样本中微塑料丰度明显较低。因此，沉积雪中的微塑料会改变微生物的结构和功能，进而可能对生态系统健康构成潜在威胁。

Abstract

Microplastics (MPs; < 5 mm) have become one of the most prominent global environmental pollution problems. MPs can spread to high altitudes through atmospheric transport and can be deposited by rainfall or snowfall, potentially threatening the structure and function of natural ecosystems. MPs in terrestrial and aquatic ecosystems alter the growth and functional characteristics of organisms. However, little attention has been given to the possible harm associated with MPs deposited in snow, particularly in the context of global climate warming. MPs collected from surface snow in the Inner Mongolia Plateau, China, were used for quantitative analysis and identification. The results showed that MPs were easily detected, and the related concentration was approximately (68 ± 10)-(199 ± 22) MPs·L−1 in snow samples. Fibers were the most common morphology, the polymer composition was largely varied, and the abundance and composition of MPs were linked to human activity to a great extent. High-throughput sequencing results showed that the composition and abundance of microorganisms also differed in snow samples from areas with different MP pollution characteristics, indicating a considerable difference in microbial functional diversity. MPs may have an interference effect on the individual growth and functional expression of microorganisms in snow. In addition, the results showed that functional living areas (e.g., landfills and suburban areas) in cities play an important role in the properties of MPs. For instance, the highest abundance of MPs was found in thermal power plants, whereas the abundance of polymers per sample was significantly lower in the suburban area. The MP contaminants hidden in snow can alter microbial structure and function and are therefore a potential threat to ecosystem health.

关键词

人类活动 / 雪 / 微塑料 / 微生物群落 / 城市功能 / 环境影响

Key words

Human activities / Snow / Microplastics / Microbial community / Urban function / Environmental effect

Highlight

• Substantial accumulation of MPs was observed in snow of the Mongolian Plateau, China.

• The pollution characteristics of MPs are influenced by the urban functional areas.

• The plastic residues may change the microbial community structures in snow.

• Alterations in the microbial function may be the result of changes in the microbial populations.

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于洪伟,邵军荣,贾华伟,钢迪嘎,马百文,胡承志. 中国内蒙古高原沉积雪中微塑料的特征及其影响因素[J]. 工程（英文）, 2024, 37(6): 78-87 DOI:10.1016/j.eng.2023.02.007

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1 引言

微塑料（MP）污染逐渐引起全社会关注，并且已经发展成为一个关键性的环境问题[1]。越来越多的证据表明，在海洋、湖泊、农田和地下水中均检测到微塑料的身影，而且这些塑料废物会长期累积[2‒4]。微塑料还可通过大气迁移至偏远地区[5]，并通过降雨或降雪沉降到地表环境。例如，从城市到偏远地区的大气中均存在微塑料，其丰度在不同地区存在显著差异[6]。大气中微塑料沉积显著加剧了城市水体的微塑料污染[7]。大气沉积是微塑料侵入偏远地区的主要方式，一旦微塑料沉积在雪和冰川上，它们将会长期赋存[8]。据报道，从阿尔卑斯山到北极，雪中微塑料颗粒的丰度范围在每升0.02 × 103~154 × 103个之间[9]。空气中的微塑料颗粒是人类可摄入微塑料污染的重要来源[10‒11]。早期研究表明，人类活动和工业生产是高海拔地区微塑料污染的主要来源[12‒13]。然而，与地表水相关调查研究相比，人们很少关注沉积雪中微塑料的污染特征。

大量研究表明，微塑料可以吸附环境化学物质（如重金属和有机污染物）及病原体[14‒15]。其主要吸附机制是表面络合、静电以及疏水等相互作用[16]。此外，与初级微塑料相比，形成生物膜的微塑料可吸附更多的污染物[17]。吸附污染物后的微塑料会对生物个体的生长、繁殖和其他生物学功能产生影响[18]。研究人员从海洋微塑料污染物中分离出了鱼类致病菌（Aeromonas salmonicida）[19]，并在微塑料生物膜中检测到两种机会性人类致病菌（Pseudomonas monteilii和Pseudomonas mendocina）以及一种植物致病菌（Pseudomonas syringae）[15]。海洋鱼类也会摄取微塑料和人造纤维素颗粒[20]，其中人造纤维更为常见[21]。环境中的微塑料残留物会导致微生物群落组成发生改变，其中生物可降解型微塑料会增加土壤中特定微生物的多样性和生长速率[22]。聚丙烯（PP）残留物的存在会降低土壤细菌群落的多样性和丰富度[23]，并通过调节反硝化等作用改变营养循环[24‒25]。此外，作为细菌病原体和抗生素耐药基因的载体，微塑料会对生态系统健康造成潜在危害[15,26]。值得注意的是，微塑料可通过生物摄取促进抗生素耐药菌的传播，尤其在可食用水产品中的传播，从而加剧对人类健康的风险[27‒28]。研究还发现，微塑料为微生物群落创造了新的生态栖息地，导致一些特殊微生物逐渐演替成为优势物种[29‒30]。

人类活动对微塑料在环境中的传播和沉降发挥着重要作用。在中国5个大型城市的空气样本中均发现了微塑料碎片（< 100 μm）[31]。研究人员已证实，西藏冰川污染物（如微塑料）可通过冰川融化流入湖泊，而在冰川径流中也发现了37%的聚丙烯和其他类型的微塑料[8,32]。然而，这些研究主要对环境中微塑料的浓度和形态进行了确认，并未考虑到微塑料对沉积雪中微生物群落结构的影响。尤其是，每平方米积雪表面每周都会有超过2×1011个纳米塑料颗粒沉积[33]，这使得人们愈加关注雪中微塑料可能引发的毒理学效应。因此，本研究主要针对内蒙古高原中典型城市的不同功能区进行沉积雪样品采集，分析对比样本中微生物群落结构和功能的差异，解析微塑料污染特征与微生物组成的耦合关系。

2 材料与方法

2.1 采样地点和样本采集

阿荣旗（北纬48°10.883′，东经123°22.699′）位于中国内蒙古高原呼伦贝尔市东北部。该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬春季节多大风。冬季年平均气温约-20 °C，夏季约20 °C，年降水量为320.0 mm，年平均降雪量22.2 mm。近40年来，该地区54.9%区域积雪厚度呈增加趋势，最高雪厚度为0.79 cm∙a-1；45.1%地区积雪呈下降趋势[34]。本研究选取了6个积雪采样点，分别位于农田区、居民区、火力发电厂、郊区、医院和垃圾填埋场。每个区域随机选取三个采样点。2020年2月，研究人员将来自阿荣旗不同功能区的新积雪表层（10~15 cm深）使用不锈钢铲收集到不锈钢容器中。随后样本（n = 18）低温下被运输至实验室进行预处理，实验过程中避免使用塑料器械和耗材。

2.2 预处理和数据收集

使用高通量测序对18个雪样中的细菌和真菌种群进行了分析[35]。将样本在室温黑暗条件下进行融化，待雪样完全融化后，使用0.22 μm的滤膜对500 mL溶液进行过滤。将滤膜保存在-80 °C的玻璃底培养皿中，以备测序和进一步分析。使用DNA提取试剂盒（MP Biomedicals, USA）从滤膜中提取DNA，并使用分光光度法（NanoDrop-2000; Thermo Fisher Scientific, USA）和1%琼脂糖凝胶电泳对DNA的数量和质量进行确认。使用细菌通用引物对338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGGTWTCTAAT-3'）总细菌16S核糖体脱氧核糖核酸（rDNA）基因进行扩增。使用真菌正向引物ITS1F（5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'）和反向引物ITS2（5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3'）对真菌群落进行分析。

通过PCR，使用rTaq DNA聚合酶（TaKaRa Bio Inc., Japan）对DNA片段进行扩增。使用Axy-Prep DNA凝胶提取试剂盒（Axygen Biosciences, USA）对PCR产物进行纯化。使用Illumina MiSeq平台（Majorbio BioPharm Technology Co., Ltd., China）进行扩增子测序。使用Trimmomatic和Flash（1.2.11版）对原始序列读数进行解复用、质量过滤和合并。根据97%的序列同一性阈值，将序列分组为操作分类单元（OTU）。

所有实验室材料均用乙醇消毒，并用无菌蒸馏水进行冲洗。样本解冻后，使用真空过滤泵（Tianjin Jinteng Experiment Equipment Co., Ltd., China）将1L样本进行膜过滤。每个采样点的水样（融化的雪）都经过三层滤膜过滤。使用配备波长激光器的激光显微拉曼光谱仪（SOE-066; Renishaw Co., Ltd., UK）对微塑料进行分析。所有颗粒均用于微塑料分离和计数，并使用显微拉曼光谱法进行分析，确定聚合物组成[9,13]。

2.3 统计分析

利用单因素方差分析（ANOVA）雪样中的微塑料浓度。利用非度量多维尺度分析（NMDS）对操作分类单元的Bray-Curtis距离进行分析，对细菌群落组成的变异进行聚类。通过在属水平上进行单因素方差分析，评估细菌和真菌群落的显著差异。利用Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States算法（PICRUSt2）对细菌和真菌的功能进行预测。

3 结果

3.1 微塑料的形态和组成表征

研究发现，火力发电厂样本中微塑料的丰度最高[(199 ± 22) MPs∙L-1]，其次为填埋场[(173 ± 35) MPs∙L-1]、居民区[(125 ± 21) MPs∙L-1]、医院[(119 ± 19) MPs∙L-1]和农田[(76 ± 14) MPs∙L-1]，而郊区样本中微塑料的丰度最低[(68 ± 10) MPs∙L-1]，如图1（a）所示。这些聚合物的特性差异很大，总共有九种常见的聚合物类型（如聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二酯），每个样本的类型从五种（垃圾填埋场）到九种（居民区）不等[图1（b）]。在火力发电厂（39.8%）和郊区（33%）的雪样中检出的聚丙烯比例最大。在居民区和医院样本中检测到的微塑料的主要成分为聚对苯二甲酸乙二醇酯。垃圾填埋场样本中的聚合物种类最少，主要包括聚氯乙烯（PVC; 33.5%）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET; 28.6%）和聚酯（15.3%）。微塑料颗粒的主要样本种类包括纤维、碎片和泡沫（图2）。在火力发电厂的雪样中检测到的主要微塑料类型为纤维（63.0%）、碎片（11.6%）、泡沫（18%）以及其他类型（7.4%），而在农田或填埋场的雪样中未检测到泡沫形式的微塑料（图2）。

3.2 各采样点的细菌丰度及多样性

由于微塑料不同的特性会对环境条件产生影响，因此可作为生物载体影响微生物群落结构[36‒37]。为分析各组样本之间的组成差异，研究基于Bray-Curtis相似性距离进行NMDS分析，结果表明农田、居民区和医院的微生物样本紧密聚集在一起，而火力发电厂、垃圾填埋场和郊区微生物样本在排序上彼此相距较远（图3）。相似性分析（ANOSIM）表明，所有采样点之间的微生物结构存在显著差异（P = 0.002）。

图4显示了在沉积雪样中发现的前十细菌属；Blastococcus、Rubellimicrobium和Janibacter是优势菌属。Blastococcus是一种革兰氏阳性、球形、需氧细菌属，隶属地皮菌门。根据16S核糖体核糖核酸（rRNA）基因的系统发育，Rubellimicrobium 属隶属于红杆菌科。Janibacter 属是一种革兰氏阳性、非芽孢细菌属，最初是从污水处理后的污泥中分离出来的[38]。垃圾填埋场和火力发电厂的Blastococcush和Rubellimicrobium的相对丰度均低于其他地区。医院和垃圾填埋场样本中Janibacter属的相对丰度较高，分别占2.11%和1.26%。

微生物群落的变化可能会影响代谢功能的多样性[36,39]。采用PICRUSt2分析预测了不同微生物群组成的功能特征。在图5中，高密度微塑料富集区（热电厂和垃圾填埋场）的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氢（NADH）功能酶显著少于低密度微塑料分布区（郊区，46.81%~50.44%）。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）及其相关代谢物是生理过程的重要调节剂，它可以促使细胞适应外部环境的变化，包括抵抗胁迫和毒性压力反应[40]。这些效应主要通过驱动微生物个体的代谢途径及其相关效应来实现，这表明NAD+可作为生理过程中的重要辅助因子。生理代谢过程需要各种NAD+依赖性酶的参与，包括调节DNA、RNA和蛋白质合成后的化学修饰，以及二级信使环状二磷酸腺苷（ADP）-核糖和烟酸腺嘌呤二核苷酸磷酸（NAADP+）的传递[41]。微塑料可以吸附化学污染物并携带病原体，具有较强的生物毒性[29,42]。与NAD+代谢相关的生理功能紊乱会导致机体的病理变化，影响正常生长。因此，从功能预测结果推测，微塑料可能对微生物与其相关的生理过程产生干扰。

与郊区相比，火力发电厂沉积雪细菌群落中谷氨酰胺水解谷氨酰-转运RNA（tRNA）和单糖转运腺苷三磷酸酶（ATPase）的相对丰度下降了23.73%~30.52%（图5）。谷氨酰胺-tRNA合成酶和单糖转运ATP酶会对化学反应进行催化。谷氨酰胺-tRNA合成酶属于连接酶家族，特别是碳氮连接酶，利用谷氨酰胺作为氨基-N-供体形成碳氮键[43]。这些酶均参与了谷氨酸、丙氨酸和天冬氨酸的代谢。这些酶为水解酶，可作用于酸酐，参与催化物质跨膜运动以及ATP结合盒式（ABC）转运蛋白[44]。

3.3 不同采样地点的真菌丰富度和多样性

从真菌群落角度进行了组间差异分析，NMDS排序的结果表明，农田和火力发电厂在排序中相距较远，而其他采样点聚集较为紧密（图6）。在ANOSIM中，NMDS图（P = 0.001）中显示出的P值差异显著（图6）。根据前十优势种群的相对丰度，Cladosporium、Mrakia和Vishniacozyma是沉积雪样中的优势真菌（图7）。Cladosporium是一种常见于室外空气中的真菌，其孢子可随风传播。Mrakia和Vishniacozyma能适应低温，在南极极端环境中也能检测到[45]。火力发电厂样本中的Mrakia和Vishniacozyma相对丰度高于其他地点的样本（图7）。Aspergillus被作为无性状态的一组真菌，而在垃圾填埋场的雪样中，其相对丰度明显增加（图7）。

与郊区相比，火力发电厂样本中羰基还原酶和NAD+ ADP-核糖基转移酶（ribosyltransferase）的相对丰度降低了39.34%~41.22%（图8）。Exo-alpha-sialidase是一种糖苷水解酶，可裂解神经氨酸的糖苷键，可能会引发微生物感染[46]。高密度微塑料富集区（火力发电厂和垃圾填埋场）与低密度微塑料区（图8中郊区）相比发现，exo-alpha-sialidase的丰度显著增加（52.02%）。微塑料可对微生物群落结构造成显著影响[47]，进而改变功能酶的特性[37]。例如，沉积物中高浓度微塑料组的与人类疾病相关的功能基因丰度显著高于低浓度组[48]。

4 讨论

本研究中内蒙古高原典型城市沉积雪中微塑料浓度（68~199 MPs∙L-1）与热带安第斯山脉冰川表层积雪测量值[(131 ± 24) MPs∙L-1]相当[13]。然而由于微塑料会在风力作用下长距离迁移，北极（0~14.4×103 MPs∙L-1）和欧洲（0.19×103~154×103 MPs∙L-1）雪中的微塑料浓度显著更高[9]。尽管人类的生产和生活活动可能是微塑料的最初来源，但大气可长时间保留悬浮颗粒，进而使微塑料可以进行长距离迁移[49]。例如，来自欧洲城市地区的微塑料可在大气迁移过程中形成纳米塑料，因此在高海拔阿尔卑斯山融化的表层雪中，纳米塑料（尺寸小于1 μm）的平均浓度为46.5 ng∙mL-1 [33]。

由于密度较低，微塑料可通过风力被传送至大气上层，然后在天气活动（如降雪和降雨）的作用下沉降到高海拔或偏远地区。特别是在夏季和冬季，降雨会促进纤维状和其他小型微塑料在整个城市地区沉积，城市环境中积累的微塑料数量是废水排放量的1.7~12.0倍[7]。因此，微塑料积累后产生的环境风险也会相应增加，如微塑料会携带病原体进行长距离传播[6,8]。大气沉降是微塑料进入青藏高原偏远高海拔地区的主要途径[8]。除了大气传输，沉积雪中微塑料的污染特征也与区域人类活动有关，例如，滑雪等活动过程中产生的微塑料比例大于大气传输的比例[50]。同样，中国蒙古高原东部积雪中也发现了大量的微塑料积累，大气传输可能在微塑料的扩散中起着关键作用。然而，填埋在垃圾填埋场中的塑料废物在物理、化学和生物的作用下会逐渐分解成小尺寸的微塑料，这就增加了垃圾资源开发利用的环境风险[51]。此外，焚烧并不能完全消除塑料垃圾，剩余的底灰仍可将微塑料释放到环境中[52]。因此，垃圾的不合理处置也是城市微塑料的典型来源。

微塑料研究的关键步骤是对其物理特性以及化学特性进行确定，有助于解析其在环境中的潜在来源和传播途径。由于城市、郊区和农村地区的微塑料来源不同，大气中微塑料的大小分布和化学成分也不尽相同[5,53]。本研究中发现主要的微塑料类型为纤维状，在沉积雪样中的检出率最高。表面积与体积之比越大，空气阻力也随之增大，沉降速度降低，导致纤维状微塑料在高海拔沉积区的沉积比例较高[13,49]。雪中微塑料的物理和化学特性与城市释放源、季节、人口密度等因素有关。例如，在抽样城市的居住区（住宅区和医院）和生产区（火力发电厂）中，微塑料的形态和组成存在空间差异性。有研究发现交通活动会导致高浓度的微塑料污染，随后被降雪等活动清除[9]。Materic等[33]发现人口稠密的城市地区可能是纳米塑料排放的热点区域，特别是在干旱时期。因此，微塑料很容易通过大气传输至不同海拔的降雪区，并随后会扩散到陆地和水系，最终对生态系统的结构和功能产生影响。

该研究表明，塑料残留物的存在可能会改变沉积雪中细菌和真菌的群落结构，微塑料也可作为微生物（如细菌、浮游生物和藻类等）的新栖息地[29‒30]，导致某些类群的丰度发生变化。例如，自然环境中微塑料的表面很容易被微生物定殖，形成生物膜[17]。例如，在水生生态系统中，微塑料干扰后的生物群落和自然群落的组成和功能存在显著差异[54]。微塑料还可通过改变环境介质的理化性质对微生物群落的组成和功能产生间接影响。例如，聚苯乙烯和聚氯乙烯微塑料会显著降低土壤中的总磷含量，而总磷含量是驱动细菌群落转变的重要因子[23]。而微塑料表面的附着模式与生境条件有关，例如，聚酰胺微塑料会选择性地富集水产养殖池塘水体中的功能微生物和基因[55]。因此，微塑料可以改变水、沉积物、土壤中微生物的多样性，而本研究也证实了微塑料同样可以改变沉积雪中微生物的组成。

受微塑料干扰而形成的不同微生物群落表现出的生物功能也存在差异。例如，亚微米级塑料会降低微生物的光生固氮和硝酸盐还原等的功能 [56]。本研究中，真菌与细菌群落的组成变化与功能预测结果相符。研究表明，微塑料可以显著增加参与土壤氮循环的微生物基因的丰度[23]。在定殖微塑料基底的生物膜中，氨基酸和维生素代谢途径增加[54]。此外，微塑料还提供了一个新的微生物生态位，并可作为其他污染物（病原体、重金属和有机污染物）的运输载体[29,57]。预计未来气候将增加塑料际微生物群的网络复杂性和模块化程度，并改变塑料际中关键类群的功能[58]。因此，受塑料影响的微生物可以通过改变其群落组成和功能以适应环境变化。

5 结论

微塑料可作为化学品和病原体的载体，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。内蒙古高原沉积雪与其他雪域的微塑料测量结果表明，这些微塑料可能会形成全球范围的大气污染。纤维状微塑料是沉积雪样中最常见的塑料类型，并且微塑料的赋存会改变沉积雪中微生物的多样性和功能。微塑料的压力扰动会对沉积雪中的微生物种群密度、优势物种和功能特性产生影响。虽然微塑料可以在雪中长期累积，但随着全球变暖导致冰雪大规模融化，大量封存的微塑料或与之相关的复合污染物会重新释放到环境中，对生物个体健康和生态系统功能具有潜在威胁。

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