探究关键胞外聚合物成分在海水中饱和的多孔介质中对纳米塑料迁移性的影响，特别是在生物膜形成过程中

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Exploring the influence of key extracellular polymeric substances components on nanoplastic mobility in seawater-saturated porous media during biofilm formation

纳米塑料在生物膜EPS影响下的迁移机制研究，发现生物膜年龄显著影响NP回收率，24h和144h均达68%以上，较未接种沙柱53.96%高。LB-EPS和蛋白质、腐殖酸在NP迁移中起关键作用，蛋白含量与回收率负相关（r=-0.9842），腐殖酸正相关（r=0.9823），蛋白多糖比反映表面亲水性。

　　在海洋环境中，纳米塑料（NP）的迁移与沉积已成为一个备受关注的生态问题。由于其微小的尺寸（通常小于1微米），NP能够穿透沉积物孔隙结构，影响水体中污染物的分布和生态系统的健康。然而，尽管已有大量研究探讨了生物膜形成对NP迁移的影响，以及生物膜分泌的胞外聚合物物质（EPS）在其中的作用，对于特定EPS组分，如松散结合型（LB-EPS）和紧密结合型（TB-EPS）在不同微生物生长阶段对NP迁移的贡献仍缺乏深入理解。此外，EPS中某些化学成分，如蛋白质、多糖和腐殖质，其功能和作用机制也尚未完全明确。

本研究通过实验探讨了生物膜及其EPS对纳米塑料在饱和海水沙柱中的迁移行为的影响。实验结果显示，生物膜的年龄对NP的出水回收率（M_eff-BF）有显著影响。在24小时和144小时形成的生物膜中，NP的回收率分别达到68.18%和68.45%，明显高于未被微生物定殖的对照组（仅53.96%）。同样，沙粒表面的EPS包被也增强了NP的迁移能力，24小时和144小时的回收率分别为64.67%和61.51%。进一步分析将EPS分为LB-EPS和TB-EPS后发现，LB-EPS对NP回收的影响方式与完整生物膜类似，其作用比TB-EPS更为显著。成分分析表明，蛋白质含量与M_eff-BF呈显著负相关（P < 0.05, r = -0.9842），而腐殖质含量则呈显著正相关（P < 0.05, r = 0.9823）。蛋白质与多糖的比例作为衡量沙粒表面疏水性的指标，也与M_eff-BF呈显著负相关（P < 0.05, r = -0.9869）。最终，LB-EPS中的蛋白质和腐殖质被确认为调节NP迁移的关键因素，其与NP迁移之间的相关性在P < 0.001（r = -0.9994）和P < 0.01（r = 0.9920）的水平上均表现出显著性。

海洋沉积物环境受到纳米塑料（NP）的威胁，因为这些微小的塑料颗粒可能对底栖生物的生存构成潜在风险。近年来，研究主要集中在NP在砂质多孔介质中的迁移行为上，但大多未考虑微生物在这些介质表面生长对NP迁移的影响。微生物可以定殖在沙粒表面，形成由细菌和EPS组成的生物膜。这种定殖不仅增加了多孔介质的表面粗糙度，还降低了表面电荷，同时改变了表面疏水性。增加的表面粗糙度有助于捕获胶体颗粒，如石墨烯氧化物纳米颗粒，从而提高其沉积率。降低的表面电荷则减少了附着生物膜之间的静电排斥，从而促进塑料颗粒的沉积。表面疏水性的变化则受到疏水性蛋白质和亲水性多糖相对含量的影响。例如，某些细菌如芽孢杆菌（Bacillus cereus）形成的生物膜具有较低的蛋白质与多糖比（0.5），而铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的比值为1.8，这种差异使得芽孢杆菌生物膜的疏水性较低，对胶体颗粒的保留能力也较弱。

EPS是生物膜中最活跃的成分，约占微生物群落总质量的85%-90%。它们不仅为生物膜的三维结构提供了基础框架，还在胶体颗粒的吸附过程中起到重要作用。EPS大分子与胶体颗粒的结合可以产生空间位阻效应，阻止胶体颗粒过于接近，从而促进其迁移。然而，不同生长阶段的生物膜对EPS的分泌可能存在差异，这种差异可能进一步影响NP的迁移行为。微生物在多孔介质上的定殖过程通常可以分为五个阶段。第一阶段是初始附着阶段（0-2小时），在此阶段EPS尚未分泌，细菌可以随时脱落。第二阶段是不可逆附着阶段（2小时-3天），在此阶段细菌通过鞭毛、菌毛和EPS永久附着在多孔介质表面，导致生物量迅速增长。第三阶段是成熟阶段I（3-6天），在此阶段生物量达到峰值，细菌被其分泌的EPS完全包围。第四阶段是成熟阶段II（6-9天），在此阶段生物膜达到最大厚度，形成稳定的微生物群落。第五阶段是分散阶段（9-12天），在此阶段EPS逐渐释放，导致微生物从生物膜中脱落。在这些阶段中，生物量、生物膜厚度和EPS成分的变化可能对NP的迁移产生重要影响。

根据已有研究，细菌分泌的EPS可以分为可溶性EPS（S-EPS）、松散结合型EPS（LB-EPS）和紧密结合型EPS（TB-EPS）。S-EPS由于含量较低，对NP迁移的影响较小。本研究的重点在于揭示不同生长阶段的细菌在分泌LB-EPS和TB-EPS方面的差异，以及它们在调节NP迁移中的独特结构和功能作用。松散结构的LB-EPS可能通过空间位阻效应促进NP的迁移，而更紧密和疏水的TB-EPS则可能引起NP的滞留。此外，本研究还识别了某些特定EPS成分在调控NP行为中的关键作用。这些发现与之前的研究结果有所不同，可能揭示新的作用机制。

为了研究这些影响，我们选择了铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）作为实验对象，因为它在海洋环境中较为常见。通过将铜绿假单胞菌接种在饱和海水的沙柱上，我们评估了不同生物膜生长阶段的影响，包括在24小时和48小时的不可逆附着阶段，72小时的成熟阶段I，以及144小时的成熟阶段II。本研究的目的是比较不同生长阶段生物膜的组成和特性，探讨NP与生物膜之间的相互作用，并确定生物膜、细菌、EPS（LB-EPS和TB-EPS）以及特定EPS成分（尤其是蛋白质、多糖和腐殖质）对NP迁移的贡献。通过这些研究，我们希望更深入地理解细菌生长和EPS分泌过程中成分变化对NP迁移的影响。

本研究使用的天然海沙来自中国河北省秦皇岛市近海底栖沉积物。沙子经过与我们之前研究相同的预处理步骤，包括将干燥的海沙通过20-30目筛网去除杂质，用去离子水彻底清洗，然后在105摄氏度的烘箱中干燥至少12小时，之后在室温下保存用于实验。实验中，我们还对海沙的粒径分布和X射线衍射（XRD）光谱进行了分析，以确保其物理性质的一致性。

在不同生长阶段，生物膜的形态和结构发生了显著变化。例如，在24小时形成的生物膜（初始不可逆附着阶段），细菌表现为细长的杆状细胞，EPS开始形成并覆盖沙粒表面。在48小时形成的生物膜（不可逆附着阶段中期），细菌的形态发生了明显变化，EPS的分泌更加显著。在72小时形成的生物膜（成熟阶段I），细菌的形态进一步发展，EPS的结构更加复杂，形成了稳定的生物膜层。在144小时形成的生物膜（成熟阶段II），生物膜达到最大厚度，微生物群落趋于稳定，EPS的组成和分布也更加成熟。通过这些观察，我们能够更清楚地了解生物膜在不同生长阶段对NP迁移的影响。

研究还发现，生物膜的生长阶段对NP的迁移行为具有复杂的影响。在初始不可逆附着阶段，由于EPS的分泌较少，NP的迁移主要受到物理因素的影响，如沙粒的粒径分布和表面粗糙度。随着生物膜进入成熟阶段，EPS的组成和结构发生变化，其对NP迁移的影响也更加显著。例如，在成熟阶段I，随着生物量的增加，EPS的结构更加紧密，从而增强了对NP的捕获能力。而在成熟阶段II，随着生物膜的进一步发展，其对NP的滞留能力可能达到峰值。在分散阶段，随着EPS的释放，NP的迁移能力可能再次增强。

通过分析不同生长阶段的生物膜，我们发现生物膜的年龄与NP的迁移行为之间存在显著的负相关。在24小时和144小时形成的生物膜中，NP的出水回收率分别达到68.18%和68.45%，而在未被微生物定殖的对照组中，NP的出水回收率仅为53.96%。这表明，生物膜的形成对NP的迁移具有重要的调控作用。此外，EPS的包被也显著增强了NP的迁移能力，24小时和144小时的回收率分别为64.67%和61.51%。进一步分析发现，LB-EPS对NP迁移的影响方式与完整生物膜类似，其作用比TB-EPS更为显著。这表明，LB-EPS在NP迁移过程中可能起到更为关键的作用。

成分分析表明，蛋白质含量与NP的出水回收率呈显著负相关，而腐殖质含量则呈显著正相关。这表明，蛋白质可能在一定程度上阻碍NP的迁移，而腐殖质则可能促进其迁移。蛋白质与多糖的比例作为衡量沙粒表面疏水性的指标，也与NP的出水回收率呈显著负相关。这表明，表面疏水性可能在NP迁移过程中起到重要作用。此外，LB-EPS中的蛋白质和腐殖质被确认为调节NP迁移的关键因素，其与NP迁移之间的相关性在统计上具有高度显著性。

本研究的结果表明，生物膜的生长阶段对NP的迁移具有重要影响。在初始不可逆附着阶段，由于EPS的分泌较少，NP的迁移主要受到物理因素的影响。随着生物膜进入成熟阶段，EPS的组成和结构发生变化，其对NP的捕获和滞留能力也随之增强。在分散阶段，随着EPS的释放，NP的迁移能力可能再次增强。这些发现与之前的研究结果有所不同，可能揭示新的作用机制。例如，某些研究表明，生物膜的形成可能通过物理吸附和化学相互作用影响NP的迁移，但本研究发现，EPS的组成和结构变化可能在其中起到更为关键的作用。

通过实验，我们发现不同生长阶段的生物膜对NP的迁移具有不同的影响。在24小时形成的生物膜中，NP的出水回收率最高，达到68.18%。而在144小时形成的生物膜中，NP的出水回收率也达到68.45%。这表明，生物膜的年龄对NP的迁移具有重要影响。在未被微生物定殖的对照组中，NP的出水回收率仅为53.96%。这表明，生物膜的形成对NP的迁移具有显著的调控作用。此外，EPS的包被也显著增强了NP的迁移能力，24小时和144小时的回收率分别为64.67%和61.51%。这表明，EPS的组成和结构变化可能在NP迁移过程中起到重要作用。

通过进一步分析，我们发现LB-EPS对NP迁移的影响方式与完整生物膜类似，其作用比TB-EPS更为显著。这表明，LB-EPS在NP迁移过程中可能起到更为关键的作用。成分分析还表明，蛋白质含量与NP的出水回收率呈显著负相关，而腐殖质含量则呈显著正相关。这表明，蛋白质可能在一定程度上阻碍NP的迁移，而腐殖质则可能促进其迁移。蛋白质与多糖的比例作为衡量沙粒表面疏水性的指标，也与NP的出水回收率呈显著负相关。这表明，表面疏水性可能在NP迁移过程中起到重要作用。

最终，我们确认了LB-EPS中的蛋白质和腐殖质是调节NP迁移的关键因素。它们与NP迁移之间的相关性在统计上具有高度显著性。这些发现可能为未来研究提供新的视角，帮助我们更深入地理解生物膜和EPS在海洋环境中对NP迁移的影响。此外，这些结果还可能对环境保护和污染治理提供理论支持，为制定更有效的措施提供科学依据。