红树林作为重要的蓝碳生态系统，在缓解气候变化中发挥着不可替代的作用。然而，随着粒径小于5毫米的微塑料（Microplastics）等新污染物在环境中的持续累积，红树林湿地生态系统的稳定性正面临严峻挑战，其碳汇功能和生态服务价值均受到显著影响。在红树林厌氧沉积物中，硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria,SRB）作为关键的功能微生物群落，承担着超过50%的碳通量转化过程。这些微生物通过将硫酸盐还原为硫化氢等中间产物，并与溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon,DOC）发生耦合反应，从而影响红树林生态系统的碳汇效率和稳定性。然而，目前关于微塑料污染对红树林沉积物中SRB代谢活性及其介导的碳-硫循环过程的影响机制尚不清楚，尤其是不同粒径微塑料的生态效应及其与SRB群落的相互作用仍需深入研究。
针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所钟音、彭平安等研究人员以生物可降解的聚乳酸（Polylactic Acid,PLA）微塑料为研究对象，设计了长达70天的厌氧微宇宙实验，系统探究了不同浓度的毫米级（mm-PLA）和微米级（μm-PLA）两种PLA微塑料对红树林沉积物硫酸盐还原及DOC降解的影响，结合稳定硫同位素分析、三维荧光-平行因子分析（EEM-PARAFAC）、16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组分析等多种技术手段，深入解析了碳-硫循环微生物群落结构、功能基因及代谢网络对不同粒径微塑料的响应机制。
研究发现，mm-PLA比μm-PLA更显著增强了红树林沉积物中硫酸盐还原菌的代谢活性，主要表现为更显著地促进了硫酸盐的还原以及还原态硫物种的生成，包括酸挥发性硫化物（AVS）、元素硫（S0）及铬还原硫（CRS）（图1）。含1%毫米级微塑料处理组（mm-1%-PLA）的硫酸盐还原速率最高，但硫酸盐中硫同位素分馏系数（34ɛ）却最低（16.85‰），这可能与mm-PLA释放了更多的DOC，为硫酸盐还原菌（SRB）提供了充足电子供体从而加速硫酸盐还原过程而抑制分馏效应有关。PLA微塑料释放的DOC可能被微生物直接利用进一步转化成CO2，其中，mm-1%处理组CO2排放量最大，较空白组增加了194%（图2）。EEM-PARAFAC分析表明，微塑料添加改变了沉积物碳组成，沉积物源DOC以类蛋白物质（C3组分）为主，其荧光强度较对照组显著提升，生物指数（BIX）高于对照组，表明微塑料的存在增强了微生物的代谢活性。这一发现揭示了生物可降解微塑料通过“碳释放-微生物代谢”调控红树林沉积物固碳功能的重要机制。
16S rRNA基因扩增子测序分析显示PLA微塑料显著影响微生物多样性（β-多样性），微塑料粒径大小依赖效应比浓度依赖效应更为显著。在mm-PLA处理组中，Acetobacteroides和完全氧化型SRB（如Desulfobacter）的相对丰度显著升高，而µm-PLA处理组中，Anaerovorax和Desulfopila（不完全氧化型SRB）的丰度更高。这些优势菌的相对丰度与硫酸盐浓度呈负相关关系，而与δ34S、CO2产生量呈正相关关系（图3），表明这些菌属可能是推动硫酸盐还原和有机碳降解为CO2的关键微生物。宏基因组分析进一步揭示了PLA微塑料存在时Anaerovorax、Acetobacteroides、Desulfopila、Desulfobacter和Desulfobulbus驱动碳代谢与硫酸盐还原的关键基因丰度变化（图4）。在µm-PLA处理组中，Anaerovorax和Desulfopila的碳代谢潜力显著增强，其编码的乳酸脱氢酶基因（dld、lldG）、淀粉降解酶基因（amyA、malZ）及脂肪酸β-氧化酶基因（bcd、atoB）的相对丰度升高，表明µm-PLA促进了乳酸、淀粉等小分子有机物的代谢活性。相较于µm-PLA，mm-PLA组中Desulfobacter和Desulfobulbus的脂肪酸/氨基酸降解基因（bcd、kamA）及硫酸盐还原关键基因（sat、aprAB、dsrAB）丰度更高，表明其通过硫酸盐还原增强了脂肪酸/氨基酸代谢过程。此外，mm-PLA组Acetobacteroides还携带更多半纤维素降解基因（manA、manB），表明其同时促进了沉积物复杂有机的降解过程。总之，mm-PLA微塑料可能由于较大的表面积提高了微生物在其表面附着能力，促进了PLA微塑料表面降解和有机碳的释放，增强了碳-硫循环微生物活性，促进了红树林沉积物复杂有机质的降解和CO2的排放。
该研究首次系统解析了不同粒径PLA微塑料对红树林沉积物碳-硫循环的影响机制，为理解蓝碳生态系统中微塑料的生物地球化学行为提供了重要科学依据。相关研究成果近期发表于环境科学领域权威期刊《Water Research》上。王贺丽博士（我所毕业博士生）为文章第一作者，钟音为通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、广州市科技计划项目、广东省科学技术研究基金、广东省基础与应用基础研究重大项目和海南省重点研发项目等项目的联合资助。
论文信息:Heli Wang (王贺丽),Yin Zhong *(钟音),Qian Yang (杨倩),Jiaying Li (李佳滢),Dan Li (李丹),Junhong Wu (吴骏宏),Sen Yang (杨森),Jiashuo Liu (刘家硕),Yirong Deng (邓一荣),Jianzhong Song (宋建中),Ping’an Peng (彭平安). 2025. Coupling of sulfate reduction and dissolved organic carbon degradation accelerated by microplastics in blue carbon ecosystems. Water Research,279,123414.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123414
图1. 不同粒径及浓度微塑料对硫酸盐还原速率、还原态硫物种生成和硫酸盐硫同位素分馏的影响
图2. 不同粒径与浓度PLA微塑料对上覆水和沉积物中溶解性有机碳转化及CO2生成的影响
图3. 毫米级与微米级聚乳酸微塑料存在下硫酸盐还原菌（Desulfopila、 Desulobacter、 Desulfobulbus）和发酵菌（Anaerovorax、Acetobacteroides）相对丰度与SO42-浓度（A-E）、δ34S (F-J)和CO2排放量（K-O）的相关性
图4. 70天厌氧培养后μm-PLA和 mm-PLA微塑料存在下Desulfopila、Desulfobacter及Desulfobulbus属编码碳-硫循环相关功能基因的情况
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