新MIT研究揭示生物膜如何阻止微塑料积聚

麻省理工学院（MIT）的新研究揭示，决定微颗粒可能积聚位置的一个关键因素与生物膜的存在有关。这些由微生物脱落的薄而粘的生物聚合物层，可在包括砂质河床或海岸线在内的表面上积累。研究发现，在其他条件相同的情况下，微颗粒在含有生物膜的沉积物中积聚的可能性较低，因为如果它们落在那里，则更易被流动的水再悬浮并带走。

这项开放获取研究成果发表在期刊《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上，论文作者包括麻省理工学院博士后朴亨哲（Hyoungchul Park）和土木与环境工程系教授海蒂·内普夫（Heidi Nepf）。“微塑料无疑在新闻中频繁出现，”内普夫说，“但我们尚未完全理解其可能的聚集热点区域。这项工作在一定程度上”揭示了导致这些颗粒（以及一般细小颗粒）在特定位置积累的部分因素。

朴亨哲指出，大多数关于微颗粒传输和沉积方式的研究都是在裸沙上进行的。“但在自然界中，存在大量微生物，如细菌、真菌和藻类，当它们附着在河床时会产生粘性物质。”这些物质被称为胞外聚合物（EPS），他解释道，它们“能显著影响河床特性”。新研究的重点正是确定这些物质如何影响微塑料等微颗粒的传输。

研究采用了一个底部铺设细沙的流动水槽，有时放置竖直塑料管模拟红树林根系的存在。部分实验中河床为纯沙，另一些则混合了生物材料以模拟河床和海岸环境中常见的天然生物膜。

将掺有微小塑料颗粒的水泵入水槽三小时后，在紫外光下拍摄河床表面，紫外光使塑料颗粒发出荧光，从而可对其浓度进行定量测量。

结果揭示了影响不同表面上塑料积累量的两种现象：模拟地上根系的竖杆周围，湍流阻止了颗粒沉积。此外，随着沉积床中模拟生物膜含量的增加，颗粒积累也随之减少。

内普夫和朴亨哲得出结论：生物膜填充了沙粒间的空隙，减少了微颗粒的容纳空间。颗粒因渗入沙粒间隙的深度较浅而更暴露，因此更易被流动的水再悬浮并带走。

“这些生物膜填充了沉积物颗粒间的孔隙空间，”朴亨哲解释道，“这使得沉积在河床上的颗粒更易受到水流作用力的影响，从而更易被再悬浮。我们发现，在具有相同水流条件、相同植被和相同沙床的河道中，不含EPS的沙床其沉积率远高于含EPS的沙床。”

内普夫补充道：“生物膜阻碍了塑料在河床中的积累，因为它们无法深入河床内部。它们仅停留在表面，随后被水流带走。因此，若我在两条河流中倾倒等量微塑料，一条具有沙质或砾石河床，另一条则因更多生物膜而更泥泞，我预计微塑料在沙质或砾石河流中的滞留量会更高。”

她表示，其他因素（如水流的湍流性或底面粗糙度）会使情况复杂化。但这为试图研究微塑料实地影响的研究者提供了一个“绝佳视角”。“他们正试图确定这些塑料存在于哪些类型的生境中，而这项工作为分类这些生境提供了框架，”她说，“它指导了人们应前往何处寻找更多或更少的塑料。”

朴亨哲举例说明，在红树林生态系统中，微塑料可能优先积聚在通常为沙质的外缘区域，而内部区域的沉积物含有更多生物膜。因此，他指出该研究表明“沙质外缘区域可能是微塑料积累的潜在热点区”，并建议将其作为监测和保护的重点区域。

本研究由壳牌国际勘探开发公司通过麻省理工学院能源倡议计划提供支持。