微塑料(microplastics,MPs)通常指粒径小于 5 mm的塑料颗粒,根据来源可分为初级微塑料(如洗护用品中的微珠)和次级微塑料(大块塑料降解产物)
[1]。水环境中的微塑料赋存特征呈现多介质、跨区域的复杂分布格局
[2]。近年来,微塑料污染已成为全球性环境问题,其分布范围从深海沉积物到高山积雪,甚至存在于南北极冰川等偏远生态系统
[3-4]。据统计,全球表层水体微塑料平均丰度达1.3×10
4个/m
3,而淡水系统中的污染同样严峻,长江、莱茵河等主要河流的微塑料通量持续攀升
[5-7],封闭性湖泊如太湖表层水微塑料浓度经检测在33.6~58.8个/m
3[8]。微塑料通过饮用水和水产品等途径进入人体,大部分海鸟物种和多数滤食性贝类体内均已检出微塑料
[9],其潜在的致癌、致畸和内分泌干扰作用已被多项研究证实
[10-12]。
当前微塑料污染的治理迫在眉睫,但传统物理和化学方法存在显著局限性。物理方法(如筛分、膜分离)虽能高效截留微塑料,但无法降解污染物,且存在膜污染问题严重、能耗过高等问题
[13-14];化学方法(如高级氧化、电絮凝)虽可破坏微塑料结构,但易产生二次污染,且处理成本高昂
[15-16]。相比之下,生物处理技术展现出低成本、环境友好等独特优势。尽管生物技术仍需优化降解效率与环境适应性,但绿色、经济的特点使其成为微塑料污染治理的最具潜力解决方案。
本研究系统综述了水环境微塑料污染的微生物修复技术原理与应用进展,通过文献计量学方法,梳理了全球研究趋势与热点。重点探讨了细菌、真菌、藻类及复合菌群通过生物吸附与生物降解作用去除微塑料的机制与效能。研究阐明了胞外聚合物在微塑料富集与转化中的关键作用,并对比分析了物理、化学与生物处理技术的优劣,指出生物技术具有环境友好、可持续性强等优势。研究结果为开发高效微生物修复技术提供了理论支撑,尤其为低浓度、分散性微塑料污染治理指明了方向,对推动微塑料污染治理的工程化应用具有重要意义,为应对全球微塑料污染挑战提供了新的见解。
1 研究方法
为深入了解微塑料污染的生物处理技术的研究现状及未来趋势, 本研究选用 Web of Science (WoS) 核心数据库为数据来源, 分析过去20 年来世界范围内关于微塑料污染的生物处理技术研究的发展。 本研究以WoS数据库为文献源, 检索式为 TS = (microplastic* OR "micro plastic*" OR "micro-plastic*" OR "plastic particle*" OR "nano plastic*" OR "nano-plastic*") AND TS = ("biological treatment" OR "bioremediation" OR "bio-adsorption" OR "biodegradation" OR "microbial degradation" OR "enzymatic degradation" OR "EPS" OR "extracellular polymer*substance*"), 检索时间跨度为2005—2024年, 得到英文文献 2 376篇。 文献计量分析表明, 2005—2024年关于微塑料污染的生物处理技术研究的文献年发文量和累计发文量呈现出逐年上升的趋势(
图1), 当前研究热点主要聚焦于微塑料生物降解的分子机制、微生物-微塑料界面相互作用过程、环境因子对降解效能的影响机制、微塑料的迁移途径等方面(
图2)。 因此, 深入解析功能微生物在微塑料转化和生物矿化中的调控机制,将有助于开发新型生物强化处理技术,并为微塑料污染治理提供更高效的解决方案。
2 去除微塑料的功能微生物
2.1 细菌
微生物在微塑料降解中扮演关键角色(
图3),其中细菌因卓越的环境适应能力尤为突出。研究表明,具备塑料降解潜力的细菌广泛分布于陆地和水生生态系统。近年来,科研人员已从各类环境中分离出多种高效降解菌株,并系统研究了其代谢机制。这些细菌主要通过2种方式降解微塑料:直接利用塑料作为碳源改变其结构,或分泌特异性水解酶和氧化酶分解大分子聚合物。目前已鉴定的代表性降解菌包括芽孢杆菌属、假单胞菌属等。最新研究显示,南极土壤细菌
Pseudomonas sp.ADL15和
Rhodococcus sp.ADL36可有效降解聚丙烯(PP)微塑料,40 d内分别减少17.3%和7.3%的重量,红外光谱证实其破坏PP结构,其中ADL15降解效率更高
[17]。此外,Tamara等
[18]从河岸摇蚊幼虫肠道中的核心细菌群当中发现其中部分菌株(如
P.simplex和
P.frigoritolerans)能高效降解微塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺)。然而,单一菌株的降解效率仍难以满足实际需求。未来研究应重点关注不同菌种间的协同效应,并运用现代分子生物学技术开发更高效的降解策略,以应对日益严峻的塑料污染挑战。
2.2 真菌
真菌作为塑料际微生物群落的重要组成部分,在水陆生态系统的微塑料降解过程中展现出独特优势。不同于细菌的降解机制,真菌通过发达的菌丝网络和高效的酶分泌系统,能够对微塑料进行多维度分解:一方面分泌木质素修饰酶(如漆酶、过氧化物酶)和疏水蛋白等生物表面活性物质,显著改善塑料表面特性;另一方面产生多种水解酶系(如角质酶、酯酶),将聚合物分解为可被微生物群落利用的小分子物质。这种“物理改性-酶解转化”的双重作用模式,使真菌成为微塑料降解的关键驱动者。研究发现海洋真菌
Zalerion maritimum能在低营养条件下有效降解聚乙烯(PE)微塑料,通过质量减少和分子结构变化(FTIR-ATR和NMR证实),表明其在环境微塑料污染治理中存在潜在应用价值
[19]。
尽管真菌降解体系已取得显著进展,但仍面临着自然菌株降解效率不足和环境适应性有限等关键挑战。为突破这些技术瓶颈,未来的研究方向应当着重于通过宏基因组技术深入挖掘具有降解潜力的新型真菌资源;同时运用合成生物学方法对关键降解酶系进行定向改造和表达强化,为微塑料污染治理提供更高效的生物解决方案。
2.3 藻类
微藻作为水生生态系统中的关键初级生产者,与微塑料的相互作用机制已成为环境生物技术领域的前沿研究方向。这类光合微生物凭借独特的生理特性,在微塑料生物降解过程中展现出不可替代的优势:首先,微藻具有光合自养能力,能够利用光能将CO2转化为有机物,这一特性使其在营养贫瘠的水体环境中仍能保持旺盛的代谢活性;其次,微藻细胞表面富含多种功能基团,能够有效吸附和定殖于微塑料表面;再者,微藻分泌的胞外产物(如多糖、蛋白质等)可显著改变微塑料的表面理化性质。目前,已发现包括蓝藻门的聚球藻(Synechococcus)、绿藻门的小球藻(Chlorella)和硅藻门的舟形藻(Navicula)在内的多个微藻类群具有显著的塑料降解潜力。
深入研究发现,微藻-微塑料相互作用体系表现出复杂的尺寸效应和环境响应特性。Liu等
[20]研究揭示斜纹链藻对5种微塑料(MPs)的50%生长抑制率无显著差异,但毒性机制因粒径而异:大粒径MPs主要通过遮蔽光照抑制光合作用,小粒径MPs则通过吸附藻体表面破坏细胞壁结构。在环境响应方面,pH、吸附时间等环境因子会显著影响微藻的降解效率,王琮翰等
[21]研究表明,斜生四链藻通过胞外聚合物(EPS)和表面官能团高效吸附聚苯乙烯微塑料,在优化条件(pH 10.33、328 r/min、120 min混合、180 min沉降)下去除率达90.08%。然而,微藻的生长也可能受到微塑料添加剂(如塑化剂、阻燃剂等)的抑制,如杨媛媛等
[22]研究发现聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)微塑料虽不直接破坏藻细胞,但显著抑制其生长及藻毒素合成。这种降解效率与生态安全的平衡关系,促使研究人员开始探索基于微藻的智能降解系统:通过基因工程改造提高微藻的耐污性;利用藻菌共生体系降低毒性物质的影响;开发光生物反应器优化降解条件等。
2.4 复合菌群
微生物降解微塑料的研究已从单一菌种研究拓展至复杂菌群系统研究,取得了显著进展。研究人员通过从污水处理厂、海洋沉积物等环境中筛选高效菌株,并运用合成生物学方法进行优化组合,成功构建了多种人工复合菌群。这些人工菌群展现出优异的降解性能,如Skariyachan等
[23]通过塑料垃圾处理区微生物筛选,获得3株新型高效LDPE降解菌(
Enterobacter sp.bengaluru-btdsce01/02和
Pantoea sp.bengaluru-btdsce03),并成功构建复合菌群。该菌群在120 d内对LDPE薄膜和颗粒的降解率分别达81%和38%,较传统MTCC菌群提升显著。这种高效降解主要源于3方面协同机制:代谢互补形成完整降解链、多种酶系协同作用、微生物在塑料表面的生态位分化。这些协同效应不仅提升了降解效率,还扩大了可降解塑料的种类范围。虽然该领域已取得显著进展,但仍面临若干关键挑战,包括菌群互作机制的深入解析、实际环境中降解稳定性的验证,以及工程化应用效率的提升等问题。未来研究应着重从合成生物学、环境适应性及强化技术等维度展开探索,通过揭示菌群协同作用本质、构建高效工程菌群、优化环境适应性能以及开发针对性强化策略,为应对全球微塑料污染提供创新性生物解决方案。
3 微生物去除原理及应用进展
3.1 微生物去除微塑料机制
3.1.1 生物吸附
生物吸附技术作为一种环境友好、成本低廉的微塑料去除方法,近年来受到广泛关注(
图4)。该技术是利用某些生物体本身的结构与成分特性来吸附溶于水中的污染物,再通过固液分离去除水溶液中污染物的一种方法
[24]。即利用生物质材料(如活性污泥、生物膜、藻类等)对微塑料的吸附作用,实现微塑料从环境介质中的分离和富集。
胞外聚合物(EPS)是由微生物分泌的以多糖和蛋白质为主的高分子物质
[25]。在微塑料生物吸附过程中,EPS首先通过其黏附性介导微生物与微塑料表面接触并增强生物膜形成,为后续降解创造微环境;同时活性组分可通过静电作用、氢键等机制与微塑料表面直接相互作用,显著提升吸附效率。
3.1.2 生物降解
多种微生物,如细菌、真菌等可通过分泌特定的酶将微塑料分解为小分子物质,如二氧化碳、水等。酶在微塑料生物处理中也同样扮演着核心角色,其独特的作用机理为微塑料的降解提供了高效而精确的生物催化途径。酶作为一类由微生物或其他生物体产生的具有催化功能的生物大分子,能够特异性地识别并结合到微塑料表面,通过活性位点催化微塑料分子链中的化学键断裂,从而启动并加速微塑料的降解,进而彻底将微塑料转化为小分子物质(
图5)
[26]。
具体而言,酶通过特定的三维结构和氨基酸序列,与微塑料表面的官能团发生相互作用,形成酶-底物复合物。在这一复合物中,酶的活性位点精确地对准微塑料分子链中的易断裂化学键,通过降低化学反应的活化能,促进这些化学键的断裂。这一过程不仅加速了微塑料的分解速率,还确保了降解过程的特异性和高效性,避免了不必要的副反应
[27]。
此外,酶还参与了微塑料降解产物的进一步转化和利用。降解产生的低分子质量塑料碎片或其他有机物,可以被微生物进一步代谢为二氧化碳、水等无害物质,或通过微生物的生物合成作用转化为有价值的生物产品。因此,酶在微塑料生物处理中不仅促进了微塑料的高效降解,还为降解产物的资源化利用提供了可能,为微塑料污染的生物治理和环境保护开辟了新途径。
3.2 影响微塑料微生物去除的因素
微生物对微塑料去除效率主要受吸附剂特性、微塑料性质和环境条件等关键要素共同影响。
3.2.1 吸附剂特性
在吸附剂特性方面,比表面积、孔隙结构和表面官能团的组成与分布起着决定性作用。比表面积越大、孔隙结构越发达、表面官能团越丰富的吸附剂,与微塑料的接触界面和结合位点越多,吸附效率也相应提高。微塑料自身的物理化学特性同样影响显著,包括粒径大小、形状特征、表面电荷分布以及疏水性等。
3.2.2 环境参数
环境参数对去除过程的影响不容忽视。pH通过改变吸附剂和微塑料的表面电荷特性来调控静电相互作用;温度在适宜范围内可加速吸附过程,但极端温度可能破坏吸附剂结构;离子强度影响双电层厚度,进而改变界面作用力;共存物质则可能通过竞争吸附位点影响最终去除效果。这些环境因素的协同作用使得微生物吸附过程呈现复杂的动力学特征。
3.2.3 分子结构特征
生物降解方面,微塑料的分子结构特征是最主要的影响因素。含有酯键或酰胺键的塑料由于这些化学键易于被酶水解,通常表现出更快的降解速率;而碳—碳键为主的聚烯烃类塑料则因结构稳定而难以降解。微塑料的物理形态同样重要,较小的粒径和粗糙的表面有利于微生物的附着和酶的作用。环境条件对降解过程具有显著调控作用:温度通过影响微生物活性和酶反应速率来调控降解效率;pH不仅影响微生物生长,还直接关系酶活性的发挥;营养物质的供给状况则决定了微生物群落的代谢活力。
3.2.4 群落结构
微生物群落的结构组成是影响降解效率的深层次因素。不同微生物物种通过代谢分工和功能互补形成协同降解网络,降解效能往往优于单一菌种。复合菌群的构建正是基于这一原理,通过合理组合具有互补功能的微生物,实现对特定类型微塑料的高效降解。这种多物种协同体系不仅具有更强的环境适应能力,还能针对不同塑料特性设计定制化的降解策略。
3.3 微生物修复技术应用现状
微生物修复技术在微塑料污染治理中展现出广阔的应用前景,其中生物吸附与生物降解作为2大主要技术路径,各具特色且相辅相承。在生物吸附技术方面,微生物及其代谢产物能通过表面吸附富集微塑料,其中细菌、藻类、真菌等可凭借细胞壁结构与微塑料相互作用,活性污泥及胞外聚合物也展现出良好截留能力,但该技术仍面临吸附剂再生与小粒径微塑料捕获效率等瓶颈,当前正通过开发复合吸附材料以提升效能。另一方面,生物降解技术主要是微生物通过酶系统降解微塑料,关键酶系包括水解酶和氧化酶,近年来从极端环境筛选的高效菌株及酶工程改造显著提升了降解能力,微生物群落的协同作用也提高了降解效率,但降解周期长、环境适应性不足等挑战仍限制其实际应用,常需与其他技术配合使用。
近年来技术融合正成为微生物修复领域的重要发展方向。吸附-降解一体化工艺的构建,使得微塑料的去除效率得到显著提高。合成生物学技术的引入更为微生物修复带来了新的机遇,通过设计智能菌株和构建人工菌群,大大提升了处理系统的精准性和稳定性。固定化微生物反应器的开发则为技术的工程化应用奠定了基础。尽管微生物修复技术已取得长足进展,但在走向大规模应用的过程中仍面临诸多挑战。未来研究应着重于多学科交叉融合,通过整合前沿分析技术、创新材料和优化工艺,推动微生物修复技术在实际环境治理中的广泛应用,为应对全球微塑料污染问题提供可持续的解决方案。
4 结论与展望
微塑料广泛分布于海洋、淡水、土壤及大气中,对生态系统和人类健康构成严重威胁。本研究系统综述了当前主流的微塑料处理技术,重点探讨了生物处理技术的研究进展与应用潜力。研究表明,物理方法能有效分离微塑料但无法实现彻底降解;化学方法虽可破坏微塑料结构,但存在能耗高、可能产生二次污染等局限。生物处理技术因环境友好性和可持续性展现出独特优势:生物吸附技术利用活性污泥、藻类等生物质材料通过表面作用高效富集微塑料;生物降解技术则通过微生物及其分泌的酶将微塑料分解为小分子物质。特别值得注意的是,胞外聚合物在生物处理过程中发挥着关键作用,通过黏附、催化等多重机制显著提升了微塑料的去除与转化效率。
然而,生物处理技术仍面临降解效率受环境制约、周期长、对PE/PP等聚合物效果有限等挑战。其突破需多层面协同:基础研究层面,需阐明微生物-微塑料相互作用的分子机制并优化降解酶性能;技术创新层面,应发展物理、化学与生物协同的复合处理系统以提升效率;工程应用层面,需加强实地验证并建立标准化评价体系。同时,必须持续关注降解产物的环境行为与生态风险,以保障技术的环境安全性。此外,降解产物的环境行为与生态风险也需要持续关注,以确保处理技术的环境安全性。未来研究应重点关注以下方向:①利用宏基因组学和合成生物学手段挖掘高效降解菌种并优化其性能;②开发新型生物反应器系统,提高处理过程的稳定性和自动化水平;③建立微塑料生物处理的数据库和模型,为技术优化提供理论支撑;④推动技术标准的制定和产业化应用,促进科研成果向实际环境治理的转化。随着研究的深入和技术的进步,生物处理方法有望成为微塑料污染治理的核心手段,为应对这一全球环境挑战提供经济、高效的解决方案。
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