塑膠的影響不僅在自身其表面的微生物影響可能更深遠

1907年，第一代塑膠Bakelite（酚醛塑膠）的問世，標誌著人類科技的進步。自此，塑膠作為一種新的產品逐漸進入人們的視野。由於成本低，穩定性高和延展性好，塑膠一度被廣泛使用。截止到2019年，每年生產的塑膠已經超過了3億6千萬噸（圖1）。其中，中國生產的塑膠佔全球總量的31%。

圖1。 全球塑膠產量與塑膠發明史 （引自Amaral-Zettler et al。 Ecology of the plastisphere， Nat。 Rev。 Microbiol。）

頻繁使用塑膠的後果就是，世界上罕有無塑膠的“淨土”。近些年來，各種陸地和水生生態環境中（微/納）塑膠的分佈、種類和豐度已經大量報道。從陸地到大氣，從土壤到水體，從表層水體到深層沉積物，從河口海岸邊到人跡罕至的南北極地區，都檢測到塑膠的存在。塑膠汙染已席捲全球。

地球上，大部分塑膠最後“歸宿”就是海洋，所以，海洋塑膠汙染尤為嚴重。據估算，全球每年有1100萬噸塑膠流入海洋。2021年聯合國環境規劃署釋出了《從汙染到解決方案：海洋垃圾和塑膠汙染全球評估》報告。報告顯示，海洋垃圾中85%是塑膠；到2040年，流入海洋生態系統的塑膠垃圾量將增加近兩倍，相當於每一米海岸線將產生50公斤的塑膠垃圾。

圖2 海洋塑膠殘骸 （引自Visually， https：//visual。ly/tag/marine-debris）

海洋中的塑膠對海洋生態系統造成了不可逆的生態影響。首先，塑膠自身會釋放一些非活性的單體和寡聚體和新增劑（增塑劑、抗氧化劑以及阻燃劑）等有毒有害物質（圖3）；同時也會吸附周圍水體中的殘留的有機物（多環芳烴、多氯聯苯等）和重金屬，這些都對海洋（如浮游類、貝類、龜類以及哺乳類生物）生物造成威脅。其次，漂浮在海洋中的塑膠，在風化、水裡剪下以及生物體干擾下，逐漸形成微/納塑膠（粒徑小於5cm和小於100nm）。這些塑膠顆粒，很容易被海洋生物吸入體內，甚至進入血液中，造成代謝紊亂。

圖3。 海洋塑膠殘骸釋放和吸附的化學物質 （引自Microplastic Contamination in Aquatic Environments， Chapter 9）

據報道，所有的海洋生物體都在面臨著塑膠垃圾帶來的饑荒和窒息的風險。海洋中的各類生態系統（如河口、海岸、遠洋以及水體、沉積物等）也飽受著塑膠垃圾的汙染和困擾。因此，如何遏制海洋塑膠汙染，評估塑膠垃圾對海洋生態環境的影響，是亟待解決的環境熱點問題。

除了塑膠本身的危害外，塑膠還可以作為一種新的人工表面，為微生物提供附著的基質和生態位，使得微生物在其表面生長繁殖，形成生物膜，這種新的人造生態系統被稱為塑膠際。塑膠際的生態影響是近些年的研究熱點。之前估算塑膠表面的生物量佔海洋表層水體生物量的0。01%-6%。由於目前的研究只能量化到進入海洋塑膠量的1%，所以塑膠表面的生物量可能是巨大的。

中科院城市環境研究所朱永官團隊前期的研究工作已經揭示塑膠際中微生物群落（藻類、細菌、古菌、真菌、病毒和原生生物等）的富集和演替，探索了微生物群落內部的互動作用、代謝能力以及微生物群落如何影響周圍環境（圖4和5）。相關成果以Temporal Dynamics of Antibiotic Resistome in the Plastisphere during Microbial Colonization和Viral diversity and potential environmental risk in microplastic at watershed scale： Evidence from metagenomic analysis of plastisphere為題，分別發表在Environmental Science & Technology和Environment International上。

圖4 塑膠際與周圍水體中細菌群落的組成與差異

圖5 塑膠際（微塑膠）與周圍水體中DNA病毒群落的組成

該團隊也系統研究了土壤中塑膠際的微生物膜，他們發現塑膠際內所發育的生物膜具有較高的生態風險，是抗性基因和病原微生物彙集的潛在熱區（圖6），相關成果以Soil plastispheres as hotspots of antibiotic resistance genes and potential pathogens為題，發表在The ISME Journal上。

圖6 塑膠際（微塑膠）與周圍土壤中病原菌和抗性基因的相對丰度

海洋塑膠際具有與周圍水體不同氧化還原梯度的微環境，因此定殖在塑膠際中的微生物可能會呈現不同的生物地球化學迴圈模式；然而，塑膠際在元素地球化學迴圈過程中發揮的功能潛勢的研究相對較少。因此，探究塑膠際的生態功能及其參與的元素迴圈過程，對於全面理解和評價海洋環境中塑膠的汙染問題，至關重要。

近日，中科院城市環境研究所朱永官院士團隊又發現，河口塑膠際具有較高的反硝化活性和強溫室氣體N2O釋放能力，高於周圍水體釋放N2O的1。5-2倍。研究還發現，這些溫室氣體釋放主要是由細菌和真菌等生物介導的反硝化途徑貢獻的。與周圍水體相比，塑膠際表面的反硝化微生物群落具有較高生態位寬度和重疊率，並且呈現了不同反硝化核心物種。這些結果對於深入理解和評估漂浮在海洋系統中塑膠碎片的生態作用和環境效應具有重要意義。相關研究成果以Estuarine plastisphere as a potential hotspot for N2Oproduction為題，發表在Nature Communications上（圖7）。

圖7 塑膠表面生物形成過程及N2O釋放

相關文章連結：

1。 https：//doi。org/10。1016/j。envint。2022。107146

2。 https：//doi。org/10。1021/acs。est。0c04292

3。 https：//doi。org/10。1038/s41396-021-01103-9

4。 https：//doi。org/10。1038/s41467-022-31584-x

【來源：中科院之聲】

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