南大洋和南大西洋聚乙烯微生物定植的生态机制与功能潜力研究

本研究针对南半球远洋环境中聚乙烯(PE)塑料微生物定植机制不清的科学问题，通过16S rRNA基因测序和宏基因组学技术，揭示了Cyanobacteria、Pseudomonadota和Bacteroidota等关键类群在早期"塑料圈"形成中的核心作用，发现生物膜形成、烃类降解和铁代谢等功能通路的富集特征，为评估塑料污染对南极脆弱生态系统的潜在影响提供了重要依据。

　　

在全球塑料污染日益严重的背景下，聚乙烯(PE)作为海洋环境中含量最高的漂浮聚合物，其表面形成的"塑料圈"(plastisphere)微生物群落深刻影响着塑料的环境归趋。然而现有研究多集中于北半球近岸水域，对南半球偏远海域的定植动态认知严重不足。更令人担忧的是，南极等脆弱生态系统中的生物因代谢缓慢、解毒能力有限等生理特性，对污染物表现出高度敏感性。

瑞士巴塞尔大学环境科学系Man-Society-Environment项目组的研究人员利用极地科考船Polarstern的两个航次(PS129和PS130/1)，首次系统研究了南大洋和南大西洋PE薄膜的早期微生物定植过程。通过对比水族箱与甲板暴露两种培养模式，结合环境参数监测，发现地理区位和培养条件而非材料类型主导群落构建，相关成果发表在环境科学顶级期刊《Science of The Total Environment》。

研究采用16S rRNA基因扩增子测序(DADA2流程处理ASVs)和鸟枪法宏基因组测序(Kraken2/Bracken分类，HUMAnN3功能注释)技术，对108个样本(含PE、预风化PE和玻璃对照)进行多组学分析。样本采集自跨越南纬60°至北纬30°的连续海洋断面，通过不锈钢框架在流动海水系统中进行2/7/14天梯度培养。

3.1 群落结构动态

NMDS分析显示群落组成主要受航段(R=0.811)和培养天数(R=0.063)影响。Tr1航段(南大洋)初期Cyanobacteria占比达82.7±1.9%，后期转变为Pseudomonadota主导(79.1±6.3%)；Tr2航段(南大西洋)则始终以Pseudomonadota为主(61.3-96.7%)。SIMPER分析揭示室外培养显著富集Rhodobacteraceae、Cycloclasticus等烃降解菌，而甲基营养菌Methylophagaceae在预风化PE上呈现过渡性增殖特征。

3.2 功能特征解析

宏基因组数据显示核心代谢通路中，肽聚糖成熟通路在14天时显著增强，印证生物膜形成的适应性策略。特别值得注意的是血红素b合成通路(与铁代谢相关)的持续活跃，以及A0A2A4UQ16(预测烃降解蛋白)在预风化PE上的特异性高表达(356.7±40.7 CPM)。尽管未检测到典型加氧酶通路，但烯酰-CoA水合酶(A0A2A4RY10)等β氧化相关酶的检出，暗示了潜在的PE降解途径。

这项研究首次系统描绘了南半球开阔海域PE定植微生物的生态-功能耦合特征。研究发现早期定植者通过光合自养、表面粘附和氧化还原代谢等策略占据生态位，为后续群落演替奠定基础。特别在铁限制海域，微生物对血红素合成的依赖可能成为塑料圈形成的限速步骤。这些认识不仅为评估塑料污染的生态风险提供了新维度，也为开发基于功能微生物的塑料污染治理技术指明了方向。