可降解塑料PHB与传统塑料HDPE及竹材对海洋潮间带沉积物细菌群落的影响机制研究

本研究针对塑料污染对海洋环境的威胁，通过对比分析可降解塑料聚羟基丁酸酯(PHB)、传统高密度聚乙烯(HDPE)和天然材料竹材在258天的地中海潮间带沉积物暴露实验中对细菌群落的影响。研究发现测试材料会显著改变周边沉积物的细菌群落结构，且可降解材料(PHB和竹材)比非降解HDPE产生更多独特菌群。该成果为评估塑料替代品的生态影响提供了重要依据，发表于《Heliyon》期刊。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，每年有数百万吨塑料废弃物进入海洋环境。其中高密度聚乙烯(HDPE)因其稳定的化学性质难以降解，在海洋环境中持续积累。虽然生物基可降解塑料如聚羟基丁酸酯(PHB)被视为潜在替代品，但其在海洋环境中的生态影响尚不明确。特别值得注意的是，现有研究多聚焦于塑料表面"塑料圈"(plastisphere)的微生物群落，而对周边沉积环境的影响知之甚少。

德国汉诺威莱布尼茨大学卫生工程与废物管理研究所联合HYDRA海洋科学有限公司等机构的研究团队，在地中海厄尔巴岛开展了为期258天的中宇宙(mesocosm)实验。研究首次系统比较了PHB、HDPE和竹材三种材料对潮间带沙滩沉积物细菌群落的影响，相关成果发表在《Heliyon》期刊。

研究采用16S rDNA测序技术分析不同样本的微生物组成，包括：与测试材料接触的沉积物(PHB-sed、HDPE-sed、bam-sed)、无接触的自然沉积物(nc-sed)以及PHB表面生物膜(PHB-bflm)。通过计算α多样性指数(Shannon、Simpson、Chao1和ACE)和β多样性分析，结合主坐标分析(PCoA)和花形图比较菌群差异。

研究结果显示，测试材料显著改变了周边沉积物的细菌群落结构。β多样性分析表明，所有样本在PCoA图中形成独立簇群(AMOVA p<0.05)，证实接触测试材料的沉积物具有独特的菌群组成。特别值得注意的是，可降解材料(PHB和竹材)接触的沉积物比非降解HDPE产生更多独特菌群，分别含有16和11个独特菌目(order)，而HDPE-sed则未显示独特菌目。

在菌群组成方面，PHB接触沉积物中脱硫杆菌目(Desulfobacterales)的相对丰度(4.5%)高于自然沉积物(3.2%)，但远低于PHB生物膜中的水平(22.7%)。竹材接触沉积物中鞘脂单胞菌目(Sphingomonadales)和梭菌目(Clostridiales)显著富集(分别达7.9%和2.1%)，这些菌群已知具有降解木质纤维素的能力。HDPE接触沉积物则显示出放线菌目(Actinomycetales)和芽孢杆菌目(Bacillales)的明显增加(分别达15.7%和5.9%)。

研究还发现PHB生物膜的菌群结构与周边沉积物存在显著差异。PHB-bflm显示出较低的α多样性指数，但均匀度(Simpson指数)最高，这可能是由于PHB降解菌的竞争优势和固体基质促进特定菌群附着生长的共同作用。

该研究的创新性在于首次证实塑料及其替代品的影响不仅限于表面生物膜，还会显著改变周边沉积环境中的微生物群落。这一发现对全面评估塑料污染的生态影响具有重要意义：首先，可降解材料虽然能减少长期污染，但在降解过程中会显著改变周边微生物生态；其次，不同类型材料会产生特异性的菌群选择压力，这可能影响沉积物的生物地球化学循环过程；最后，研究结果为制定更全面的塑料污染评估标准提供了科学依据。

研究人员建议未来研究应关注三个方向：延长观察时间以评估材料完全降解后的菌群恢复情况；采用独立培养系统避免材料交叉影响；结合宏基因组学和宏蛋白质组学技术深入解析菌群功能变化。这些工作将有助于更全面地理解塑料污染对海洋微生物生态系统的长期影响。