《Journal of Hazardous Materials》：Structure and assembly mechanisms of different microbial taxa in plastisphere in coastal wetlands: An in-situ culture experiment
编辑推荐：
摘要微塑料作为一种新兴的全球污染物，在沿海湿地的表面形成了独特的“塑料圈”生态位，但其对微生物群落结构和组成的影响至今仍不甚明了。本研究通过原位培养、高通量测序和生态建模，系统分析了塑料圈与周围沉积物在微生物群落结构、功能及组成机制上的差异，同时研究了植被类型（有植被的P区与无植
摘要
微塑料作为一种新兴的全球污染物，在沿海湿地的表面形成了独特的“塑料圈”生态位，但其对微生物群落结构和组成的影响至今仍不甚明了。本研究通过原位培养、高通量测序和生态建模，系统分析了塑料圈与周围沉积物在微生物群落结构、功能及组成机制上的差异，同时研究了植被类型（有植被的P区与无植被的I区）以及聚合物可降解性（传统塑料：PP、PET；可生物降解塑料：PLA、PBAT）对这一过程的调控作用。与周围沉积物相比，塑料圈使微生物的组装过程从以物理隔离为主的扩散限制主导，转变为由塑料表面特性驱动的均匀选择作用和由塑料物理化学性质加剧的生态漂变共同主导。这种变化为塑料圈群落结构简化（多样性降低、稀有类群减少）及功能特化现象提供了内在的生态学解释。此外，塑料圈还显著改变了参与碳氮循环的功能基因的丰度，这一效应在可生物降解微塑料上更为明显。网络分析显示，塑料圈中的微生物共现网络节点数量较少，但微生物间的连通性及协同作用却显著增强，这反映了微生物为适应新栖息地而采取的适应性策略。社区结构和功能的这种重构表明，微塑料可能会改变当地的生物地球化学循环能力，同时增加病原体富集的风险以及群落动态的不确定性。此外，植被的存在可通过改变沉积物中的背景微生物群落，部分缓解微塑料对细菌多样性的负面影响。我们的研究结果为评估微塑料在沿海生态系统中的生态影响提供了科学依据。
引言
塑料污染是当今最紧迫的全球环境问题之一，据估计到2050年，全球累计的塑料废物量将达120亿吨[1]。这些塑料废物进入环境后，会通过太阳辐射、物理磨损和生物降解等过程破碎成直径小于5毫米的微塑料[2]。作为全球变化因素，微塑料已在多种环境介质中被广泛检测到[3]，包括淡水及海洋等水生生态系统[4][5]、土壤等陆地生态系统[6][7]、沿海湿地[8]和红树林[9]，甚至在高海拔地区如珠穆朗玛峰[10]和极地地区[11]也能发现其存在。
沿海湿地作为陆海交界处的关键生态系统，具有很强的污染物滞留能力，被视为塑料积累的热点区域[12]。有研究指出，湿地沉积物中微塑料的平均浓度高达2046.7个/千克[13]。然而，湿地系统中微塑料的环境行为和生态效应受到复杂的水文条件、多变的氧化还原环境以及植被的调节作用的影响而变得十分复杂[14]。值得注意的是，沿海湿地中的植被，如红树林和盐沼植物（如互花米草、芦苇），可通过多种途径影响微塑料的迁移、滞留以及表面生物膜的形成：根系分泌物会改变周围的微生物群落组成[15]，根系释放的氧气会形成不同的氧化还原微环境[16]，而植物的根系结构则会影响微塑料的沉降和再悬浮过程[17]。因此，研究沿海湿地塑料圈中微生物群落的组成、功能及形成机制，对于评估微塑料带来的生态风险至关重要。
作为外源疏水性基底，微塑料表面为微生物的定殖和生长提供了独特的生态位，形成了被称为“塑料圈”的特殊栖息地[18]。微生物群落的形成既受确定性过程（如环境筛选）的调控，也受随机过程（包括扩散限制和生态漂变）的影响。先前的研究表明，塑料圈中的微生物群落在结构和功能上与周围水体或沉积物中的群落存在差异，表现出特定的富集模式和代谢特征[19]。鉴于传统塑料带来的环境风险，人们已经开发出了多种可生物降解塑料，如聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯，用以替代传统的石油基塑料[20]。由于可生物降解塑料具有较高的降解速度，它们可能在环境中更易积累，对微生物产生的影响也可能比传统塑料更为显著[21]。与传统塑料相比，可生物降解塑料通常具有较低的α多样性，群落组成也有明显差异，且更易富集具有塑料降解能力的细菌[22]。值得注意的是，可生物降解塑料上细菌群落的形成以确定性过程为主，而传统塑料上则更多受随机过程的影响[7]。野外研究还表明，可生物降解塑料的老化速度更快，更易被微生物降解，同时在有氧-缺氧交替环境下，它们能促进微生物间更强的正相关关系[23]。通过改变局部沉积物性质、有机物输入量以及水动力条件，栖息地的异质性（如植被覆盖度）也会影响微塑料与微生物之间的相互作用。
已有研究表明，塑料圈会影响碳、氮和硫的生物地球化学循环。具体而言，先前的研究证明，气候变暖与微塑料污染共同作用会显著改变藻类的碳固定和氮同化过程[24]；此外，与塑料圈相关的反硝化作用也被认为是河口生态系统中有机氮氧化物产生的一个被忽视的来源，进而加剧温室气体排放[25]。在硫循环方面，塑料圈会选择性富集能够转化硫的微生物，成为深水区域硫循环中的重要枢纽[26]。尽管已有一些关于塑料圈功能的研究成果，但推动其独特群落形成的潜在生态过程仍未完全明确[27]。此外，目前大多数研究都是基于实验室微型生态系统进行的，缺乏对多种聚合物类型的系统原位比较[7]。尤其是在复杂的沿海湿地生态系统中，植被在调节微塑料影响、影响生态过程方面的作用仍不清楚。
鉴于此，本研究在黄河三角洲沿海湿地开展了原位培养实验。与大多数依赖实验室微型生态系统或单一聚合物类型的先前研究不同，本研究在沿海湿地的有植被区和无植被区同时对比了多种传统塑料和可生物降解塑料的影响，从而更真实地反映自然环境中的复杂性。结合高通量测序和生态模型分析，我们提出了以下假设：（1）不同类型的微塑料所形成的塑料圈中，微生物群落的结构、功能及共现网络存在显著差异；（2）与周围沉积物相比，塑料圈中微生物群落的形成机制从随机过程转变为确定性过程；（3）植被覆盖度可以调节微塑料对微生物群落的影响，有植被的区域微生物多样性更高，群落组成也更具差异性。这项研究有助于深入理解沿海盐沼中的塑料圈现象，也为评估这些脆弱环境中的微塑料生态风险提供了理论依据。
章节要点
实验用微塑料
本实验使用了四种微塑料——PP、PET、PLA和PBAT，它们分别作为传统塑料和可生物降解塑料的模型，用于模拟环境污染。选择这四种材料是为了体现不同可降解性水平，从难降解的塑料（PP、PET）到可降解塑料（PLA、PBAT），从而研究这一材料特性如何影响塑料圈的形成。需要说明的是，所有这些微塑料在实验前均未经过任何老化处理。这些材料的制备过程
塑料圈中生物膜生物量的变化
通过结晶紫染色法，我们在第30天、第90天和第210天检测了附着在微塑料上的生物膜生物量（见图S3a）。结果表明，总体而言，所有样本的生物量均随时间显著增加（p<0.01）。在第30天和第90天时，P区的生物量高于I区，不过最初的差异并不大（I区：0.011±0.01–1.661±0.25；P区：0.009±0.01–2.014±0.09）。从第210天开始，P区的生物量进一步增加，并一直保持在这一水平
塑料圈中独特的微生物群落结构与功能
本研究证实，塑料圈在沿海湿地中成功形成了与周围沉积物有明显区别的独特微生物栖息地，这一结果与先前的研究结论一致[46]。该栖息地的典型特征是微生物的α多样性显著降低，而变形菌门则占据绝对优势（见图1）。这种群落简化现象在世界各地的多种生态系统中都有出现，表明微塑料
结论
基于在沿海湿地开展的原位实验，本研究证明微塑料作为一种强大的环境过滤器，通过显著改变微生物群落的组成方式，对生态系统产生了深远影响。研究结果表明，微塑料的表面特性会带来一种与周围沉积物不同的选择压力，这种压力使得微生物群落的形成过程从以扩散限制为主转变为
环境意义
本研究揭示，微塑料通过改变微生物群落形成的主导过程，从扩散限制转变为均匀选择和生态漂变，从而从根本上重塑了沿海湿地中的微生物群落结构。这种变化不仅简化了群落结构，还改变了参与元素循环的微生物种类以及潜在病原体的种类，同时增强了微生物群体间的协同作用。这些发现表明，微塑料可能一方面改变当地的生物地球化学循环能力，另一方面又可能增加
CRediT作者贡献说明
张玲：资源提供。 夏雨驰：验证工作。 张静：论文撰写与修改、研究指导、资金申请。 颜菲菲：论文初稿撰写、验证工作、方法设计、统计分析、数据整理、概念构建。 王志豪：方法设计、数据整理。 尹平：软件应用、数据整理。 田岩：方法设计。 朱子贤：方法设计、实验开展。 张彩杰：实验开展、统计分析。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42330402）的支持。同时，我们也感谢山东黄河三角洲国家级自然保护区管理委员会为我们的研究所提供的帮助。
利益冲突声明
作者声明，本研究的开展过程中不存在任何可能引发利益冲突的商业或财务关系。
颜菲菲|王志豪|尹平|田岩|朱子贤|张彩杰|张玲|夏雨驰|张静
中国海洋大学，教育部海洋化学理论和技术重点实验室，深海多圈层与地球系统科学前沿中心，青岛，266100，中国
