《PHA微塑料老化降低N2O汇能力：释放的γ-丁内酯解耦反硝化电子传递与氧化磷酸化》研究报告

一、作者与发表信息
本研究由杭州师范大学工程学院的Yu Zhang、Jing Lu、Xiao-Zheng Zhang、Zheng-Zhe Zhang*和Ren-Cun Jin*团队完成，发表于环境科学领域权威期刊《Environmental Science & Technology》2025年第59卷，页码1298-1307。研究聚焦生物基可降解塑料PHA（聚羟基脂肪酸酯）微塑料老化对土壤反硝化细菌N2O汇功能的抑制机制。

二、学术背景
科学领域与问题
农业土壤是人为N2O排放的主要来源（占60%以上），而反硝化细菌（如Paracoccus denitrificans）是N2O转化的关键微生物汇。随着生物基塑料（如PHA）的推广（2023年全球产能达92万吨），其微塑料（MPs）在土壤中的累积引发环境风险。尽管PHA被标榜为“可降解”，但在常规环境中降解缓慢，老化过程可能释放有害物质。此前研究多关注微塑料作为碳源对反硝化的促进作用，但老化PHA对N2O汇能力的影响尚未明确。

研究目标
1. 评估PHA微塑料老化对细菌N2O汇能力的抑制效应；
2. 鉴定老化PHA释放的关键抑制成分；
3. 从能量代谢角度揭示其作用机制。

三、研究流程与方法
1. 实验设计
研究分为土壤微宇宙实验和纯菌培养系统（P. denitrificans），设置0.05%-0.5%（w/w）的原始与老化PHA MPs暴露组，模拟环境相关浓度。

2. PHA MPs制备与表征
- 材料处理：原始PHA MPs（20 μm粒径）通过欧洲标准CEN/TC 444水浸提法分离为可溶性浸出液（PHA leachate）和老化残渣（aged PHA MPs）。
- 表征技术：傅里叶红外光谱（FTIR）验证化学结构；扫描电镜（SEM）观察表面形貌；凝胶渗透色谱（GPC）分析分子量稳定性。

3. 关键成分鉴定
- 1H NMR与UPLC-QTOF-MS联用：分析浸出液成分，发现γ-丁内酯（γ-butyrolactone，6.5% w/w）为主要释放物。
- 细胞毒性验证：通过CCK-8法测定γ-丁内酯对P. denitrificans的半抑制浓度（IC50=91.64 ppm）。

4. 代谢机制解析
- 电子传递与能量代谢：
- 酶活性检测：测定复合物I/III、硝酸盐还原酶（Nar）、N2O还原酶（Nos）等活性，发现γ-丁内酯使Nos活性下降27%。
- ATP合成分析：ATP水平降低42.09%，ATP/ADP比值下降60.56%，表明氧化磷酸化解耦。
- 跨膜质子梯度：JC-10荧光探针显示膜电位（Δψ）仅降低9.47%，但质子竞争导致ATP合成受阻。
- 转录组学：RNA测序显示nosZ基因表达未显著变化，但复合物I（peta/b/c）和ATP酶（α/β/γ亚基）基因下调。

四、主要结果
1. PHA MPs抑制N2O汇能力
- 0.5%原始PHA MPs使N2O积累量增加7.2倍，N2O还原率下降29.71%（图1e）。
- 老化PHA MPs通过浸出液（非残渣）起主要抑制作用（图2c）。

2. γ-丁内酯的核心作用
- 竞争质子机制：γ-丁内酯在酸性周质中自发水解为γ-羟基丁酸（ΔG°=-61.9 kJ/mol），与ATP酶竞争质子，破坏电子传递与磷酸化的耦合（图5）。
- 能量分配失衡：细胞为维持质子梯度，减少对Nos的电子供给（无能量收益），优先支持Nar（产能途径）。

3. 环境剂量效应
- 低剂量（0.05%-0.1%）γ-丁内酯即显著抑制N2O还原，高剂量（300 ppm）使TN去除效率下降23.1%（图2e）。

五、结论与价值
科学意义
首次揭示PHA老化通过γ-丁内酯释放干扰细菌能量代谢，提出“质子竞争性解耦”新机制，弥补了生物基微塑料环境风险评估的理论空白。

应用价值
- 警示政策制定者：生物基塑料的“绿色标签”需结合老化阶段风险重新评估；
- 指导农业实践：PHA地膜使用需优化配方（如减少γ-丁内酯残留）。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合代谢组（1H NMR）与转录组解析微生物能量代谢障碍；
2. 发现新颖性：首次报道γ-丁内酯作为PHA老化标志物对反硝化的特异性抑制；
3. 环境相关性：聚焦未降解阶段的微塑料风险，突破传统“降解即安全”认知。

补充发现
- 老化PHA MPs未显著破坏细胞膜完整性（LDH释放无变化），区别于传统微塑料的物理损伤机制（图2f-g）。

（注：全文数据支撑详见原文Supplementary Information，包括FTIR光谱、酶活性检测方法等。）