农田排水沟渠既是农业径流的汇，又是邻近下游水体的源，其沉积物在有机质矿化和碳氮生物地球化学循环中起着关键作用，被认为是温室气体排放的热点区域。此外，由于农业生产中农用塑料产品和抗生素类药物的广泛使用，部分污染物可能会随着地表径流排入农田沟渠，因此除了接收碳氮等污染物以外，农田排水沟渠沉积物还是微塑料和抗生素的潜在富集区。然而，在多种污染物联合作用下，农业沟渠沉积物的温室气体排放规律及其潜在微生物机制尚不明确。
为解决上述问题，中国科学院东北地理与农业生态研究所水环境污染与防治研究团队通过微宇宙模拟实验，探究了不同微塑料(传统微塑料聚乙烯(PE)、可生物降解微塑料聚乳酸(PLA))和磺胺类抗生素(SA)在单一暴露以及复合暴露条件下，对农业沟渠沉积物温室气体(CH4、CO2和N2O)排放特征的影响，并初步揭示了其潜在的微生物学机制。研究结果显示，不同处理下沟渠沉积物全球增温潜势值(GWP)依次为：SA+PLA (162.96 mg/m2/h) > PLA (123.49 mg/m2/h) > SA (121.75 mg/m2/h) > SA+PE (102.33 mg/m2/h) > CK (84.67 mg/m2/h) > PE (78.29 mg/m2/h)。这一研究结果证明SA与PLA的复合污染将导致沟渠沉积物温室效应加剧。微生物组装和分子生态网络分析表明，SA引起的选择性压力降低了沉积物中群落组分更替，而微塑料则增强了漂移过程的相对重要性，并降低了微生物网络的鲁棒性。由于SA和PLA的复合污染促进了稀有物种的定殖，其对微生物网络和组装过程的影响与SA和PE复合污染的结果相反。
该研究在揭示微塑料和抗生素复合污染对沟渠沉积物中碳氮气体排放影响的基础上，结合生物信息学方法探索了微生物群落在应对复合污染时的动态演替和功能适应性，研究结果可为评估农业沟渠等生态系统中新型污染物的潜在生态风险提供科学参考。
图1 微塑料与抗生素复合污染调节沉积物微生物功能潜力的机理框架
相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials》上，由科研助理沈昱廷(共同第一作者)、助理研究员侯胜男(共同第一作者)和祝惠研究员(通讯作者)等人共同完成。该研究得到国家重点研发计划项目、吉林省自然科学基金优秀青年基金、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。
论文信息及链接如下：
Shen,Y.T.,Hou,S.N.,Miao,Y.Q.,Wang,X.Y.,Cui,H.,Zhu,H.,2024. Synergistic effects of microplastics and sulfonamide on greenhouse gas emissions in agricultural ditch sediments: Insights into microbial interactions. Journal of Hazardous Materials,136378. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136378
