海岸超大城市氮负荷影响下塑料圈生物多样性与氮代谢的响应机制及微生物资源挖掘

本研究针对沿海城市氮负荷加剧背景下塑料圈（plastisphere）的生态功能不明问题，通过多组学技术揭示了其对氮输入的响应机制。研究发现氮负荷显著提升细菌多样性但抑制真菌多样性，富集了铵同化（ammonium assimilation）、反硝化（denitrification）和DNRA（异化硝酸盐还原为铵）相关菌群及基因，并鉴定出放线菌门（Actinomycetota）等四类关键微生物资源。该成果为海洋氮循环调控和塑料圈微生物资源开发提供了新思路。

　　

海洋塑料污染已成为全球性环境挑战，这些塑料碎片表面形成的特殊微生物群落——"塑料圈"（plastisphere），被称作"第八大陆"。更值得关注的是，沿海城市排放的大量含氮废水与塑料垃圾在近海区域交汇，但学界对塑料圈如何响应氮负荷的机制知之甚少。这种认知缺口不仅影响海洋生态评估，也阻碍了塑料圈微生物资源的开发利用。

为解开这一谜题，来自南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）和香港地区的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表重要成果。研究者选取香港三个典型海岸带（包括受珠江口影响的维多利亚港）的塑料圈样本，通过宏基因组学（metagenomics）、宏转录组学（metatranscriptomics）和代谢组学（metabolomics）技术，系统解析了氮负荷对微生物群落结构和功能的影响。

关键方法
研究团队在2023年5月采集了香港白水碗、蝴蝶湾公园和维多利亚港的塑料圈样本，同步测定海水NH₄⁺-N、NO₂^--N等参数。通过高通量测序分析细菌/古菌/真菌群落，结合KEGG和MetaCyc数据库注释氮代谢通路，利用LC-MS进行代谢物检测，并通过共现网络分析微生物互作关系。

主要发现

1. 微生物群落响应
   氮负荷使细菌α多样性提升42%，但真菌多样性降低35%，古菌群落结构则保持稳定。共现网络显示高氮条件下微生物互作关系简化，表明环境压力导致生态位竞争加剧。

2. 氮代谢通路激活
   宏基因组分析发现，高氮样本中铵同化基因（glnA、gdhA）、反硝化基因（nirK、nosZ）和DNRA基因（nrfA）显著富集。代谢组检测到氧化型谷胱甘肽（GSSG）积累，提示氮应激引发氧化应激反应。

3. 关键微生物资源
   放线菌门（Actinomycetota）、拟杆菌门（Bacteroidota）等四类菌群在氮负荷下丰度增加，其携带的氮转化基因表明这些微生物可作为生物技术开发的候选资源。

环境启示
该研究首次阐明塑料圈通过调整微生物组成和代谢通路来适应氮负荷的生态策略。一方面，塑料圈可能加剧海岸带富营养化风险，但其富集的N₂O还原基因（nosZ）又具有减缓温室气体排放的潜力。研究鉴定的微生物类群为开发新型生物修复技术提供了靶点，而GSSG等代谢物的发现为环境胁迫标志物研究开辟了新方向。这项成果为理解人类活动-塑料污染-微生物响应的级联效应提供了关键科学依据。