生物塑料材料对海洋生态系统中微生物群落与大型无脊椎动物模型 Mytilus galloprovincialis 的整合评估：plastisphere 组成、潜在降解菌及贻贝免疫酶学响应

《Marine Pollution Bulletin》：Integrated assessment of bioplastic materials effects on microbial communities and macroinvertebrate model, Mytilus galloprovincialis, in marine ecosystems

生物聚合物相对于石油基塑料改变 plastisphere（塑料圈）组成。变形菌门（Proteobacteria）在海洋暴露条件下的所有塑料类型中占优势。生物塑料较石油基塑料承载更多烃降解菌（hydrocarbon-degraders）。贻贝免疫应答由生物塑料微米（micro-）和纳米（nano-）颗粒触发。生物聚合物在体内（in vivo）暴露后可能对贻贝产生有害影响。

论文解读：生物塑料对海洋微生物群落与贻贝模型的整合影响

石油基塑料自20世纪50年代大规模工业化生产以来，因通用性、耐久性和低成本而广泛应用于包装、建筑、电子、医学和交通等领域。然而其难降解性导致塑料废物持续积累，造成严重生态后果，并影响生态系统和包括人类在内的生物健康；同时，化石燃料来源还贡献温室气体排放。生物塑料因此被提出作为有前景的替代品，其包括生物基、可降解或二者兼有的聚合物，常见如 polyhydroxyalkanoates（PHA，聚羟基烷酸酯）、polyhydroxybutyric acid（PHB，聚羟基丁酸）、polylactic acid（PLA/PLLA，聚乳酸/聚-L-乳酸）、alginate、chitin、chitosan 和 keratin 等。但并非所有生物基塑料都可降解，也并非所有可降解塑料均为生物基；降解程度和速率强烈依赖环境条件和测试方案。塑料进入水生系统后，表面迅速被细菌、古菌和真核微生物定植，形成 plastisphere（塑料圈，塑料表面微生物生物膜群落），其不同于周围微生物群落，并由胞外多糖物质（EPS）介导初始黏附。微生物活动可促进生物降解，但过程常不完全，可产生微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs），并在水生食物网中生物积累和生物放大。因此，生物塑料虽被宣传为环境友好替代品，其降解产物和生态后果可能与传统塑料相似甚至重叠。滤食性双壳类 Mytilus galloprovincialis 是合适哨兵生物，MPs 可积累于其软组织并可能进入人类食物链，影响免疫应答、氧化应激和酶生物标志物。基于此，研究人员结合微生物学和免疫生物学方法，评估石油基与生物聚合物塑料在海洋生态系统中的影响，研究 plastisphere 及生物聚合物微/纳米颗粒对贻贝的体外和体内效应。该研究强调，评估生物塑料风险需多学科框架，可持续性声明应有科学证据支持。

为开展研究，研究人员将石油基 HDPE（高密度聚乙烯）和生物聚合物 PHA、PHB、PLLA 支架暴露于 Cala of Palermo（38°07′17.6″N 13°22′11.4″E）海洋环境9 m深度60天，或使用同一站点海水建立微宇宙60天；支架经热致相分离制备，并以 FTIR-ATR（衰减全反射傅里叶变换红外光谱）和 SEM（扫描电子显微镜）表征。通过 16S rRNA 基因 V3–V4 区 Pro341F/Pro805R 引物、Illumina MiSeq 测序，经 QIIME2/DADA2 处理，并以 Greengenes 数据库分类。培养依赖法在 ONR7a 培养基中以 PHA/PHB/PLLA 为唯一碳源，采用双层琼脂平板法分离潜在降解菌，并以 16S rDNA BLAST 鉴定。贻贝购自 Vivaio Addaura marine farm（Palermo, Italy），5–6 cm，适应7天；体外进行血细胞吞噬和 AO（吖啶橙盐酸盐）观察；体内72 h暴露于2 μg/L HDPE、PHA、PHB或PLA，测定血淋巴和消化腺 PO（酚氧化酶）、GPx（谷胱甘肽过氧化物酶）、LYS（溶菌酶）、ALP（碱性磷酸酶）、EST（酯酶）及总血细胞和吞噬活性，统计采用 Graphpad Prism 8.0.2 的 ANOVA/Tukey 检验。

研究结果如下。3.1 Plastisphere 组成：通过16S rRNA测序比较 HDPE、PHA、PHB、PLLA，HDPE 的 OTUs（操作分类单元）丰富度最高；生物聚合物中 PLLA 丰富度和多样性最高，PHB 最低。所有塑料样品均以 Proteobacteria 主导，Bacteroidota 常见；生物基塑料中 Proteobacteria 丰度分别为 PHB 90%、PLLA 78%、PHA 74%，而 HDPE 为46%。HDPE 富含 Firmicutes 和 Actinobacteriota，并特有 Epsilonbacteraeota、Fusobacteria、Planctomycetes；科属水平上，HDPE 有 Microtrichaceae、Vibrionaceae、Rhodobacteraceae、Flavobacteriaceae、Fusibacter、Vibrio、Arcobacter，而生物塑料独有 Labrenzia、Oleibacter、Alcanivorax、Thalassotalea 等烃降解菌；PHA 以 Hyphomonodaceae、Maricaulis、Oceanicaulis、Oleibacter、Niseae 为主，PHB 以 Stappiaceae、Alcanivoracaceae、Labrenzia、Alcanivorax 为主，PLLA 多样性较高并含 Kiloniellaceae、Colwelliaceae、Nitrincolaceae、Stappiaceae、Tistilia、Thalassotalea、Labrenzia、Oleibacter。结论是塑料类型影响 plastisphere，生物基塑料富集潜在烃降解菌。3.2 潜在聚合物降解菌分离鉴定：经 ONR7a 唯一碳源富集，共获44株细菌；5株在 PHB 产生降解晕，鉴定为 Labrenzia 和 Alcanivorax；PLLA 未显示可见降解。结论是 PHB/PHA 存在潜在降解菌，PLLA 降解不明显。3.3 微塑料尺寸：通过光镜和 ImageJ 计数，HDPE、PHA、PLLA 单颗粒及 PHB 水环境簇主要处于1–50 μm。结论是暴露颗粒以微米级为主。3.4 体外吞噬活性：血细胞体外暴露和显微镜观察显示，对照组活细胞正常，酵母阳性对照被吞噬；PHB 和 PLLA MPs 触发吞噬，PLLA 还诱导血细胞包裹较大颗粒，PHA 反应较低。结论是存在聚合物特异性细胞识别。3.5 血淋巴血细胞含量：体内暴露后，PLLA 组总血细胞数为14.2×10⁷±4.96×10⁷ cells/ml，高于对照组8.67×10⁷±1.6×10⁷ cells/ml。结论是 PLLA 招募血细胞。3.6 血细胞吞噬活性：PLLA 组吞噬细胞百分比为20%±6%，低于对照组44%±6%。结论是 PLLA 动员血细胞但降低目标识别效率。3.7 酶学响应：消化腺和血淋巴中 PO、GPx、LYS、ALP、EST 发生变化；消化腺 PO 在 PHB 和 PLLA 显著升高，GPx 在所有处理中升高，LYS 在 PLLA 最高，EST 在 PHB/PLLA 升高，ALP 仅 PLLA 升高；血淋巴 PO 和 GPx 在 PHB/PLLA 升高，EST 仅 PLLA 显著，LYS 和 ALP 在 HDPE 与 PLLA 间有差异，PHA/PHB 与对照无差异。结论是生物塑料 MPs 可诱导免疫和氧化应激酶标志物，PLLA 和 PHB 较明显。

讨论部分指出，生物塑料并不必然无毒，其降解依赖聚合物性质和环境条件，可能长期残留并含化学品；研究塑料影响需连接微生物生态与生物生理。不同塑料的 plastisphere 结构不同，说明聚合物类型影响定植，Proteobacteria、Actinobacteria 和 Bacteroidota 等在其他海洋 plastisphere 研究中亦常见，且部分类群能降解高分子有机化合物。生物基塑料 plastisphere 中烃降解菌丰度更高，提示其可能参与生物塑料降解。生物塑料降解产物可影响高营养级生物，滤食性双壳类 Mytilus galloprovincialis 的免疫状态可反映环境质量。体外实验显示 PHB 和 PLLA 触发吞噬，PLLA 诱导包裹，PHA 反应低；体内实验显示 PLLA 增加血细胞招募但降低吞噬百分比，酶活性普遍增加，PHB 和 PLA 较显著。研究人员认为，机制可能涉及颗粒-细胞相互作用、溶酶体扰动、活性氧（ROS）产生和生物塑料基质释放化合物的协同作用；但由于未对浸出液或降解产物进行化学表征，无法确定物理颗粒、化学释放物或二者联合的相对贡献，这些机制应视为合理假设而非已证明因果通路。未来需结合生物终点与浸出液化学表征，并比较完整颗粒与相应浸出液，以区分颗粒介导效应和化学介导毒性。整合微生物与免疫发现可见，聚合物类型、微生物群落组成、降解动态和生物影响相互关联；生物塑料虽促进降解微生物群落，其产生的 MPs 仍可影响哨兵物种免疫功能和酶活性，需研究繁殖、种群动态和营养转移等长期生态后果。

结论部分翻译：本研究证明，不同塑料类型可能代表微生物群落的独特栖息地，暴露于生物塑料碎片可能导致特定属的选择。同时，体外和体内评估表明，生物塑料微颗粒可调节哨兵无脊椎动物的免疫和酶生物标志物。虽然颗粒大小和形状影响这些反应，结果总体表明不同塑料可对无脊椎动物和脊椎动物产生可变且潜在不利的影响。本工作强调结合微生物学和免疫生物学参数的跨学科方法评估生物塑料环境影响的优势。整合这些视角可更全面理解微塑料污染如何影响海洋生物和生态系统功能。此外，此类方法对开发能够捕捉塑料、微生物和高等生物之间复杂相互作用的系统性生物监测策略至关重要。系统实施此类方法可支持政策制定者评估新兴生物塑料相关的生态风险，并指导基于证据的策略以缓解水生生态系统中塑料污染。