《Journal of Hazardous Materials》：Comparative study of bacterial communities on field-collected floating microplastics in the Pacific Arctic Ocean and the temperate Tsugaru Strait (western North Pacific) based on 16S rRNA gene sequencing
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塑料废弃物经紫外线降解和物理过程破碎为<5 mm的不可回收颗粒，称为微塑料（MPs）。MPs普遍存在于海洋环境中，从浅水到深海及极地地区均有分布。据估计，全球海洋表面漂浮着171万亿个（230万吨）MPs，引起全球对海洋塑料污染问题的关注。由于MPs几乎不可降
塑料废弃物经紫外线降解和物理过程破碎为<5 mm的不可回收颗粒，称为微塑料（MPs）。MPs普遍存在于海洋环境中，从浅水到深海及极地地区均有分布。据估计，全球海洋表面漂浮着171万亿个（230万吨）MPs，引起全球对海洋塑料污染问题的关注。由于MPs几乎不可降解，它们可在海面漂流数年。在此期间，其经历生物污损并吸附化学污染物，作为不同微生物（包括潜在病原体）和危险化学品的运输载体或汇。MPs通过微生物在其表面的定殖形成被称为"塑料圈"（plastisphere）的独特生态系统。随着MPs被洋流运输，它们可能将非本地生物和病原体转移到其他海洋区域，引发对其对海洋生态系统不利影响的担忧。尽管河流、海岸和开阔海洋等多种环境中环境细菌与MP附着细菌之间物种组成和多样性的差异已被广泛研究，但北极海洋的塑料圈在很大程度上仍不清楚。随着北极气候变暖加速，伴随航运和其他海上活动增加，了解北极海洋MP污染的现状已成为全球和区域优先事项。楚科奇海位于太平洋北极海洋的门户，鉴于太平洋来源水体通过白令海峡的流入，是太平洋来源MPs的潜在积累区。因此，表征白令海和楚科奇海MPs附着的细菌群落将有助于预测MPs流入对北极海洋生态系统的生态影响。在此背景下，本研究调查了太平洋北极海洋（从白令海北部普里比洛夫群岛到楚科奇海）浅水表层漂浮MPs附着的细菌群落组成。此外，研究人员检查了海水中环境自由生活细菌、与漂浮MPs同时采集的天然颗粒附着的细菌，以及来自津轻海峡（西北太平洋相对温暖、浅水且受人类活动强烈影响的区域）的MP附着细菌和海水细菌。具体而言，本研究解决三个核心问题：（1）MPs相关群落是否与海水和天然颗粒相关群落不同？（2）塑料圈在北极和温带区域之间是否存在差异？（3）颗粒大小是否影响细菌丰富度？
研究人员对比研究了太平洋北极海洋与温带津轻海峡现场采集漂浮微塑料（MPs）上的细菌群落。塑料废弃物经紫外线降解和物理过程破碎为<5 mm的不可回收颗粒，即MPs，其普遍存在于海洋环境中，全球海洋表面估计漂浮171万亿个（230万吨）MPs。MPs几乎不可降解，可在海面漂流数年，期间经历生物污损并吸附化学污染物，作为微生物和危险化学品的运输载体或汇。MPs通过微生物定殖形成"塑料圈"（plastisphere）这一独特生态系统，可能随洋流转移非本地生物和病原体。尽管多种环境中环境细菌与MP附着细菌的差异已被广泛研究，但北极海洋塑料圈仍很大程度上未知。随着北极气候变暖加速及航运增加，了解北极MP污染现状成为优先事项。楚科奇海位于太平洋北极海洋门户，是太平洋来源MPs的潜在积累区。为此，研究人员调查了太平洋北极海洋浅水表层漂浮MPs附着细菌群落组成，并检查了海水自由生活细菌、天然颗粒附着细菌以及津轻海峡的MP附着与海水细菌，旨在回答三个核心问题：MPs相关群落是否不同于海水和天然颗粒群落；塑料圈在北极与温带区域间是否存在差异；颗粒大小是否影响细菌丰富度。研究在太平洋北极海洋（2023年6–7月）采集62个样品（18个塑料颗粒、23个天然颗粒、21个海水样品），在津轻海峡（2024年2、4、6、11月）采集53个样品（35个塑料颗粒、18个海水样品），天然颗粒未回捕。漂浮颗粒使用新斯顿网（网目0.33 mm）表层水平拖曳采集，海水经0.22 μm滤膜过滤。DNA提取后扩增16S rRNA基因V4–V5区，在Illumina MiSeq系统测序，使用QIIME 2的dada2插件去噪、去除嵌合体并生成扩增子序列变体（ASV）表，基于EzBioCloud数据库进行分类学注释。聚合物类型使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定。统计分析使用R软件，α多样性采用Shannon指数（H'）和Simpson指数（D）及Hill数（q0、q1、q2），β多样性采用基于Bray–Curtis距离的非度量多维标度（NMDS）和置换多元方差分析（PERMANOVA）。结果显示，两个区域细菌群落均以变形菌门、拟杆菌门和蓝细菌门为主。太平洋北极海洋中变形菌门在所有样品中超过50%，γ-变形菌纲和α-变形菌纲为主要纲，黄杆菌纲和色杆菌纲在MPs上富集；津轻海峡塑料圈中蓝细菌门贡献显著更大，色杆菌纲（24.8%）为MPs上优势纲。α多样性分析表明，MPs群落的多样性和均匀度始终低于海水和天然颗粒；双因素方差分析显示样品类型主效应在所有多样性指数上显著（p < 0.001），区域主效应对ASV数和Hill数q1显著，区域与样品类型交互作用不显著，表明样品类型影响在两区域一致。β多样性分析显示细菌群落按区域和样品类型明显聚类，PERMANOVA表明区域、样品类型及其交互作用显著解释群落变异；北极-only模型中样品类型显著解释群落结构（R2 = 0.257），所有基质对间差异显著。ASV共享分析显示，太平洋北极海洋中MPs上各样品类型共享ASVs占54.3%，按相对读数丰度计共享部分占79.7%，MP特有分类群读数贡献仅1.7%；天然颗粒中特有分类群占读数31.3%，表明天然颗粒特有群落较MPs高度发育。津轻海峡MPs上75.3%的ASVs为MP相关，占整个群落读数的34.4%。整合五个样品类型，共检测到22个仅存在于MPs上的候选MP相关ASVs。区域分类组成方面，太平洋北极海洋MPs表面Oleispira属最优势（15.2%），其次为色杆菌纲未分类属（12.4%）和Rhizobium属（10.5%），前三类群占群落约38%；天然颗粒群落更均匀；海水中主要为寡营养自由生活类群。津轻海峡塑料圈以光合细菌群为主，色杆菌纲未分类属（18.1%）和蓝细菌门未分类属（8.8%）优势，合计超过群落四分之一，另有Rhodobacteraceae未分类属（5.5%）、Shewanella属（2.5%）和Loktanella属（1.8%）富集；海水中Pelagibacter属优势（12.6%）。MP粒径与细菌群落多样性关系方面，Spearman秩相关分析显示MPs投影面积与ASV丰富度总体呈强正相关（ρ = 0.6986，p = 0.0001），在太平洋北极海洋（ρ = 0.7248）和津轻海峡（ρ = 0.6001）内均一致；Shannon指数总体弱正相关（ρ = 0.3683），但分区分析不显著；天然颗粒投影面积与ASV丰富度或Shannon多样性无显著相关。讨论部分指出，津轻海峡ASV数高于太平洋北极海洋符合纬度多样性梯度假说，海表温度差异可能是主要环境框架；MPs上α多样性持续显著低于天然颗粒和海水，证实MP表面存在独特生态位，合成聚合物高度疏水且难降解限制了可附着存活的类群范围；β多样性中区域因素解释约10.6%变异，样品类型解释14.4%，表明塑料圈形成受特定基质强烈驱动但也高度依赖周围海水物种池；MPs相关ASVs在太平洋北极海洋占总读数20.2%，在津轻海峡占34.4%，表明温带区域塑料圈特化程度更高，而极地低温限制特化定殖，群落以被动物理附着的通用种为主。22个MP相关候选ASVs分为两组：A组为全球保守特化者（如Stenotrophomonas、Bacillus、Lewinella、Corynebacterium），B组为区域独特或新候选者（如Prochlorotrichaceae、Rhodobacteraceae、Ekhidna、Desulforhopalus等），后者凸显区域塑料圈独特性。优势类群方面，北极海洋MPs上Oleispira属的显著增殖可能归因于MPs疏水表面、聚合物添加剂或吸附有机污染物，该属具有已知冷适应烷烃降解能力；津轻海峡温带塑料圈建立了以初级生产为中心的活跃微生态系统，光合色杆菌纲和蓝细菌富集提示复杂三维生物膜形成。津轻海峡细菌群落呈现与环境的季节偶联 succession，春、夏秋、冬季MPs与海水α多样性轨迹相反。MPs投影面积与ASV丰富度强正相关支持岛屿生物地理学理论应用于MP细菌群落，粒径主要塑造稀有低丰度类群的丰富度而非均匀度或优势核心种， founder effect可能解释小颗粒上群落的高变异性；天然颗粒因提供营养和复杂微生境而维持高多样性。研究结论指出，漂浮MPs可承载与周围海水及太平洋北极海洋同期采集天然颗粒不同的细菌群落；区域环境条件和颗粒大小共同影响塑料圈组装，MP表面积与细菌丰富度呈正相关，符合岛屿生物地理学框架；温带津轻海峡MP表面以生物膜形成蓝细菌和先锋异养菌高丰度为特征，而太平洋北极海洋寒冷环境约束限制特化定殖，群落以通用种及具有烃降解能力的Oleispira属类群为主；这些发现提示MPs可能促进选定微生物分类群跨海洋区域运输。研究同时承认方法学局限，包括津轻海峡缺乏天然颗粒、季节重复不平衡、基于16S rRNA基因的分类学谱而非直接功能表达、以及依赖二维投影尺寸而非三维表面积，未来需跨更广地理梯度的长期监测和多组学方法结合培养实验验证。
