利用中型生态系统方法研究波罗的海中传统塑料和可生物降解塑料上的早期生物膜定殖现象

《Marine Environmental Research》：Early biofilm colonization on traditional and biodegradable plastics in the Baltic Sea using a mesocosm approach

生物塑料与传统塑料在海洋环境中的生物膜形成及菌群差异研究。通过波罗的海 mesocosm 实验和 16S rRNA 测序，发现聚乳酸（PLA）和聚羟基丁酸-羟基戊酸酯（PHBv）的生物膜菌群多样性显著高于传统聚丙烯（PP），且菌群组成具有特异性，PLA 表现为更高异养菌（如 Flavobacteriaceae）和潜在降解菌（如 Bdellovibrionota）丰度，而 PHBv 则富含 Desulfobacterota。研究证实塑料类型通过表面化学特性影响微生物选择性吸附，生物塑料可能支持更复杂的海洋微塑料生态系统。

　　塑料污染已成为全球面临的重大环境问题之一，尤其是在海洋生态系统中，塑料微粒的积累不仅影响了水体的生态平衡，还对生物多样性构成威胁。随着人们对可持续发展的关注日益增加，生物塑料（bioplastics）作为传统塑料的替代品，因其可降解性和生物来源的特性，正逐渐受到重视。然而，生物塑料在海洋环境中的生态影响，尤其是其对微生物群落的吸引能力，尚未被充分研究。为此，一项新的研究聚焦于生物塑料与传统塑料在海洋环境中早期生物膜形成的差异，特别是在波罗的海这一大型咸淡水生态系统中。该研究采用“mesocosm”方法，即在人工模拟的海洋环境中进行实验，以评估生物塑料（如聚乳酸PLA和聚羟基烷酸酯PHBv）与传统塑料（如聚丙烯PP）在生物膜形成过程中的微生物群落差异。

在实验设计中，研究者选择了三种不同的塑料材料：传统塑料聚丙烯（PP）、生物塑料聚羟基烷酸酯（PHBv）和聚乳酸（PLA）。这些塑料材料被制成薄片，并在波罗的海的mesocosm设施中进行了为期三周的浸泡实验。实验环境模拟了真实的海洋条件，包括适宜的水温、盐度、氧气浓度以及光照周期。通过扫描电子显微镜（SEM）观察生物膜的形成过程，并利用荧光显微镜和16S rRNA基因宏条形码分析（metabarcoding）来评估微生物群落的组成和多样性。此外，研究还检测了微生物数量的变化，以及不同塑料材料表面微生物群落的相似性。

实验结果显示，生物膜在所有塑料材料上均随时间推移而逐渐形成，但其形成速率和微生物组成存在显著差异。在三周的实验周期内，PP、PLA和PHBv表面的生物膜覆盖率均有所增加，但在第三周时，PLA表面的生物膜表现出更高的复杂性，且出现了更多真核生物（如微藻）的参与。值得注意的是，尽管PLA和PHBv都属于生物塑料，但它们在微生物群落组成上存在显著差异，这表明不同类型的生物塑料可能对微生物的吸引具有不同的机制。相比之下，PP表面的微生物群落更接近于周围海水中的微生物群落，说明其与生物塑料之间存在一定的生态差异。

研究进一步分析了不同塑料材料上微生物群落的多样性。结果表明，与周围海水相比，塑料材料表面的微生物群落表现出更高的多样性，尤其是PLA表面的生物膜。这种多样性可能与生物塑料的表面特性及其在降解过程中释放的有机物有关。PLA的高降解性使其能够提供更丰富的营养物质，从而吸引更多的微生物种类，形成更加复杂的生物膜结构。而PHBv则表现出与PLA相似但相对较低的微生物多样性，这可能与其表面性质或降解速率有关。

此外，研究还发现，PLA和PHBv之间的微生物群落相似性较高，而PP则与两者存在明显差异。这表明，生物塑料可能在一定程度上形成独特的微生物群落，而传统塑料则更倾向于吸引与周围海水相似的微生物。这种差异可能源于塑料材料的化学性质和表面特性，例如PLA的亲水性可能更容易与微生物相互作用，从而促进其生长和附着。相比之下，PP的疏水性可能限制了某些微生物的附着能力，导致其微生物群落的组成与周围海水更接近。

在微生物组成方面，研究发现Proteobacteria和Bacteroidota是所有塑料材料和海水中的主要微生物类群。其中，Proteobacteria在生物膜形成初期占据主导地位，而Bacteroidota则在后期成为重要的成员。这与已有的研究结果一致，表明这些类群在不同阶段对塑料表面的生物膜形成具有不同的贡献。此外，Verrucomicrobiota和Planctomycetota等类群也出现在所有塑料材料和海水中，但它们的相对丰度可能受到塑料材料表面化学特性和环境条件的影响。

研究还揭示了一些特定的微生物类群在不同塑料材料上的富集情况。例如，PLA表面的生物膜中富含Alteromonadaceae和Paraglaciecola，这些类群被认为具有降解海藻多糖的能力，可能在生物膜的形成过程中发挥重要作用。而PHBv表面则以Comamonadaceae和Oxalobacteraceae为主，这些类群在海洋和淡水微塑料中均有报道，可能在生物膜的稳定性和多样性方面起到关键作用。PP表面则以Rhodobacteriaceae和Rhodocyclaceae为主，这些类群在传统塑料的生物膜中广泛存在，可能在塑料降解过程中扮演重要角色。

研究结果表明，不同类型的塑料材料在海洋环境中的生物膜形成过程和微生物群落组成存在显著差异。这种差异可能与塑料的物理化学性质、表面能、降解速率以及其释放的添加剂有关。PLA的高降解性使其在短时间内能够吸引更广泛的微生物群落，从而形成更加复杂的生物膜结构。相比之下，传统塑料PP的降解速率较低，导致其表面的微生物群落相对单一，与周围海水的相似性较高。这一发现对于理解生物塑料在海洋环境中的生态影响具有重要意义，尤其是在评估其作为传统塑料替代品的可持续性方面。

此外，研究还指出，生物膜的形成过程是一个动态变化的过程，随着暴露时间的延长，微生物群落的组成可能发生变化。在短期暴露（如三周）中，塑料材料的表面特性对微生物的初始附着起着关键作用，而在长期暴露中，环境因素（如温度、盐度、营养物质）可能对微生物群落的演替产生更大的影响。因此，生物膜的形成不仅受塑料材料自身性质的影响，还受到外部环境条件的调控。

值得注意的是，研究还发现，PLA和PHBv在生物膜形成过程中表现出更高的多样性，这可能与其作为生物塑料的特性有关。PLA的高降解性和可再生性使其能够支持更复杂的微生物群落，而PHBv虽然也具有一定的生物降解性，但其降解速率和表面特性可能限制了微生物的多样性。这一发现为生物塑料的生态风险评估提供了新的视角，同时也为未来生物塑料的设计和应用提供了科学依据。

总的来说，这项研究揭示了生物塑料与传统塑料在海洋环境中生物膜形成和微生物群落组成上的差异，表明生物塑料可能具有不同的生态影响。PLA在短期内表现出更高的微生物多样性，可能支持更复杂的生物膜结构，而PP则更倾向于吸引与周围海水相似的微生物。这些结果不仅有助于理解塑料污染对海洋生态系统的影响，也为开发更加环保的塑料材料提供了理论支持。未来的研究需要进一步探讨生物塑料在不同环境条件下的长期生态影响，以及其对微生物群落演替的具体机制，以期为塑料污染的治理和生物塑料的可持续发展提供更加全面的科学依据。