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《中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)》 2018年
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近海微塑料表面生物膜的形成及其对微塑料理化性质的影响

陈涛  
【摘要】:微塑料污染已成为国内外关注的热点环境问题。微塑料因其粒径小、比表面大,可作为污染物及病原菌(或外来物种)的载体。已有研究表明,微塑料表面附着的微生物主要以生物膜的形式存在。生物膜的形成可能改变微塑料的理化性质,进而影响微塑料的归趋。当前,国际上有关微塑料表面生物膜群落的研究逐渐增加,而关于微塑料表面生物膜的形成及其对微塑料理化性质影响的研究还较罕见。基于此,本研究以我国北方北黄海养殖区(山东烟台养马岛附近海域)作为微塑料野外试验点,选取粒径3~5 mm的聚乙烯(Polyethylene,PE)薄膜、聚丙烯(Polypropylene,PP)树脂颗粒及发泡类聚苯乙烯(Expanded polystyrene,EPS)小球作为供试微塑料,设计并安装了微塑料浸海试验的“浮筏套笼”装置,开展了不同深度(2 m、6 m和12 m)海水中,不同类型微塑料表面生物膜的形成及其对微塑料理化性质影响的动态试验;分析了微塑料表面生物膜的形貌、总量及厚度随时间及水深的动态变化规律,优化了软质微塑料表面DNA的提取方法,揭示了生物膜的形成对微塑料疏水性、官能团的影响,以及不同水深条件下EPS粒径、密度及表面粗糙度随时间的动态变化,初步探明了微塑料表面生物膜及其与微塑料的相互作用关系,以期为揭示我国海岸及近海环境中生物膜的形成对微塑料的环境归趋、风化与降解等过程的影响提供了科学依据。本研究主要结果如下:(1)基于文献和实地调研,有效地将扇贝养殖笼与不锈钢过滤网桶结合,组合了一套操作简便、经济环保、适合近海不同水深的微塑料浸海试验装置,并在烟台养马岛扇贝养殖区海域开展了微塑料浸海现场试验。(2)在近海养殖区微塑料表面可快速附着大量微生物。暴露30天、75天和135天时,不同水深(2 m、6 m和12 m)的三种微塑料表面均有大量微生物附着,主要是球菌和杆菌等。对于PE薄膜,除暴露135天时,12 m水深处的生物膜总量显著提高外,PE薄膜表面生物膜的总量随暴露时间及深度的变化无显著差异。通过激光共聚焦荧光显微镜对生物膜的结构及厚度进行测定,结果表明,PE薄膜表面生物膜的密集程度及厚度随着水深的增加而逐渐降低,且随着暴露时间的增加而显著增加。对于EPS小球而言,3个深度的EPS小球表面生物膜的总量均随着暴露时间增加而显著增加,但暴露深度之间的生物膜总量无显著性差异。对于PP树脂颗粒而言,仅在暴露至第135天时,三个深度的PP树脂颗粒表面生物膜总量较前两次(暴露30天和75天)均有了显著增加。总体上看,PP树脂颗粒表面生物膜总量,随着暴露深度的增加,生物膜总量略有增加。(3)优化了不同类型(PE薄膜和EPS小球)、粒径(1~3 mm和3~5 mm)和数量(10片、20片和30片)的海洋微塑料表面生物膜DNA的提取方法。综合DNA浓度、纯度、提取时间和成本等多因素分析,与MOBIO Powersoil~?试剂盒相比,MP FastDNA~?试剂盒对EPS小球和PE薄膜两类软质微塑料的表面微生物DNA的提取效果较好。进一步应用该方法提取了不同水深PE薄膜表面生物膜的微生物DNA;高通量测序结果表明,PE薄膜表面生物膜的细菌丰度和多样性均随着水深的增加而显著增加。3个水深的微塑料表面生物膜的微生物群落在门、纲和属水平上的主要组成成分基本相同,门水平主要为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidete),纲水平主要为γ-变形菌纲(Gamma-proteobacteria)、α-变形菌纲(Alpha-proteobacteria)和黄杆菌纲(Flavobacteria),属水平的菌群丰度随深度的变化更加显著。(4)生物膜的形成改变了微塑料的微形貌、疏水性及化学官能团等理化性质。PE薄膜的颜色随暴露时间的增加而变深,随暴露深度的增加而变浅。暴露75天时,PE薄膜表面出现羰基峰,表明开始发生风化或降解;暴露135天时,PE薄膜表面已有撕裂的微塑料碎片产生;且PE薄膜的疏水性也随时间的增加而显著降低。EPS小球的颜色随暴露时间和暴露深度的增加而变深,EPS小球的粒径随水深增加而显著减小,密度则随水深增加而增加;小球的粒径与暴露时间的变化无显著相关性,但密度随暴露时间的增加而增加;EPS小球表面未观察到塑料碎片;PP树脂颗粒表面的粗糙度随着暴露时间的增加增加,但表面尚未发生风化。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X55

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