导读

陆军工程大学联合广东工业大学在Journal of Environmental Management上发表了题为：“Impacts of hydraulic conditions on microplastics biofilm development, shear stresses distribution, and microbial community structures in drinking water distribution pipes”的研究论文。微塑料作为一种新兴污染物，在管式结构中因水力条件变化而引起的水质风险鲜有研究。本研究的目的是探讨水力条件对微塑料生物膜（MP-BM）发育的影响。

摘 要

本研究探讨了不同水力条件（0~2 m/s）对微塑料-生物膜（MP-BM）发育、剪切应力分布、微生物群落结构的影响。主要结论如下：（1）水利条件的差异影响微塑料表面的团簇结构。（2）MP-BM的形态变化会影响微塑料表面及管壁表面的剪切应力变化，与流速、MP-BM的数量和MP-BM尺寸呈正相关，与管道直径呈负相关。（3）随流速变化严格单调增减的微生物共有31属，占比15.42%，表明这些属类的微生物对水力条件的变化更加敏感。此外，粒径小于100 μm微塑料摄入人体机械损伤和生化风险。

引 言

作为水环境中的新兴污染物，微塑料也是微生物群落和生物膜的理想载体。不同的水力条件影响生物膜发育及脱落的状态，间接影响水质。水中的微塑料和生物膜共同加剧了微生物污染，由于频繁改变的水力条件（如水停滞和高/低速流动），饮用水分配系统的末端的潜在风险水平更高。不同水力条件下微塑料-生物膜诱导的水质污染可能对消费者构成不同的卫生风险，值得关注。

大量研究探讨了水力条件对微塑料或生物膜的影响。高速水流有助于微塑料破碎和释放，并影响营养水平。微塑料可向水中提供微生物可利用碳源，促进微生物增殖相关。值得注意的是，在人类的血液系统、淋巴系统、肝脏和肠道中发现了更多小尺寸的微塑料，这会对健康产生危害。从理论上讲，颗粒可能会改变血管或淋巴管中的剪切应力，就像水管中的微塑料一样，然后造成机械损伤。然而，有关机械损伤的信息很少。

以往的研究通常涵盖水力条件，微塑料和生物膜的一两个部分，然而，水力条件对微塑料表面特性的综合影响少有研究。相关的剪切应力分析可能有助于从理论上评估塑料颗粒摄入人体时对血管可能造成的机械损伤。

成果简介

01 微塑料表面的团簇特征

设计了如图1所示的水力条件模拟试验装置以及微塑料-生物膜培养取样装置。

Fig.1 Pilot assay and protocols for sampling.

不同材质微塑料表面的生物膜发育存在明显差异，PET表面的生物膜呈现更加平滑的平面结构、覆盖更加密集，PVC、PP表面的团簇结构发育显著，但PVC、PP表面的生物膜未覆盖区域（可能的脱落点位）较其他微塑料更多。当流速为0.55 m/s至0.95 m/s时，微塑料表面团簇（>5 μm）显著增加，流速范围为1.14 m/s至1.40 m/s时，团簇平均尺寸减小。

Fig.2 Morphology differences in biofilm under different hydraulic conditions after two weeks.

02 生物多样性与群体结构

完全时滞状态或高速流动状态下，微塑料-生物膜中的生物多样性更高，随着水流速度增加，群落结构的均匀性下降，如图3所示。

Fig.3 Microbial levels and indices of microbial diversities in control sample and biofilms. (a) 16S rDNA, (b) OD₆₀₀ and (c)-(h) indices of microbial diversities.

微生物群落结构在门级别上的变化不明显，在纲、属级别上差异显著。如图4所示，空白对照组中的优势菌中为变形菌门，在水力冲击与时滞作用下，出现了少量的酸杆菌门、放线菌门、浮霉菌门、厚壁菌门、疣微菌门；纲级别主要为α变形菌纲、γ变形菌纲，有少量的放线菌纲与芽孢杆菌纲。在对照组中，α变形菌纲、γ变形菌纲的占比分别为96.92%与2.53%，在时滞作用和水力作用下，γ变形菌纲占比显著上升而α变形菌纲占比显著下降，其中，在V0与V4管道中的微塑料-生物膜中γ变形菌纲占比超过了52%，为第一优势菌种，V4中的芽孢杆菌纲占比增幅为19.40%，相比于其他样品更为显著。

Fig.4 Microbial communities in different samples on levels of phylum and class.

在本实验中，所有样品中微生物在属级别上存在水平（在各自样品中的相对比例）进行统计，共有201属，随流速变化严格单调增减的共有31属，占比15.42%，表明这些属类的微生物对水力条件的变化更加敏感，如图5所示。

Fig.5 Typical microbial communities that was strongly influenced by water velocity. (a) Increase with velocity; and (b) Decrease with velocity.

03不同水利条件影响剪切应力的分布

管道内的微塑料分布会影响管道内流体剪切应力的分布，间接影响微塑料-生物膜与管壁生物膜表面的剪切应力，对管道内生物膜的附着、发育、成熟、脱落等过程均存在影响。如图6所示，流体剪切应力分别与流速、微塑料颗粒数、微塑料粒径大小成正比，与管道的管径成反比，当微塑料粒径与管道半径约为1:10时（极限条件下），剪切应力存在极大值。

Fig.6 Models and simulated distribution of shear stresses (τ). (a) Model without microplastic; (b) Model with single microplastic (r_M – the size of microplastic); (c) Model with bands of microplastics (n – counts of microplastics); (d) Shear stress distribution (τ₁) when there was no microplastic; (e)(f) Ration of shear stress with single microplastic (τ₂) to τ₁; (g) Relation of y_M and r_M when there were microplastic bands in the pipe; (h)(i) Shear stress distribution when there were microplastic bands in the pipe; (j)-(l) Impacts of microplastic counts on shear stress distribution at the pipe wall.

如图7所示当微塑料在管道中发生破碎、裂解时，随着粒径减少及数量增多，管道内流体剪切应力在裂解过程中出现峰值后，剪切应力将逐渐减小；剪切应力的下降有助于微塑料-生物膜的生长，部分破碎颗粒在生物膜的作用下，聚合成较大颗粒的团簇，伴随着颗粒的再次上升，会对应出现再次破碎、裂解，微塑料的颗粒数越来越多，平均粒径越来越小，其对管网中流体的剪切应力不再产生影响。因此，粒径越小的微塑料，其表面剪切应力越小，更有利于生物膜的生长、发育。

Fig.7 Mechanism of shear stress changes during microplastic crushing and adhesion.

微塑料的裂解在粒径大小上是一个二维或三维的数量变化，而数量的增加是一维的变化，因此，在微塑料裂解过程中，对管道内的影响作用逐渐减小；但是当较小粒径的微塑料颗粒进入身体的血管、淋巴管后，特别是粒径与管径比达到1:10时，极有可能对人体结构产生功能性损伤，这个潜在的风险应该引起足够的重视。

总结与展望

在这项工作中，发现水力条件的变化会影响微塑料表面的形态特征以及表面生物膜的微生态，包括生物多样性以及机会致病菌的存在水平。在水力条件作用下，微塑料表面的剪切应力变化会影响微塑料破碎过程，出现一个破碎-聚集-再破碎的动态变化过程，微塑料的颗粒数越来越多，平均粒径越来越小。但是鉴于粒径管径比1:10的剪切应力峰值，粒径小于100μm微塑料摄入人体的机械损伤和生化风险需要引起关注。

原文信息

Xiao Chen, Xiao-ying Lian, Yi Wang*, Sheng Chen, Yi-ran Sun, Guo-lin Tao, Qiao-wen Tan, Jing-chun Feng*. Impacts of hydraulic conditions on microplastics biofilm development, shear stresses distribution, and microbial community structures in drinking water distribution pipes. Journal of Environmental Management, 2023, 325, 116510, doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116510