时间驱动的塑料球层：在自然野外条件下，时间动态因素塑造了海洋微塑料微生物群落

《Marine Environmental Research》：Time-driven plastisphere: Temporal dynamics shape the marine microplastic microbiome under natural field conditions

　　**摘要**
微塑料（MPs）被认为是微生物定植的载体，能够形成被称为“塑料圈”的复杂生物膜。在本研究中，我们调查了四种常见塑料聚合物——线性低密度聚乙烯（LLDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）在自然浅海水柱条件（约2米深度）下的海洋微生物定植情况，这些条件位于突尼斯东南部加贝斯港附近（加贝斯湾，地中海南部）。通过16S rRNA基因扩增子测序对这些生物膜进行了7天、30天和90天的监测，以评估暴露时间和聚合物类型的同时影响。时间序列变化被证实是塑料圈组成的主导因素，PERMANOVA分析显示暴露时间解释了总群落变异的58%（p = 0.001），而聚合物类型解释了15%（p = 0.001）。基于距离的冗余分析（db-RDA）进一步表明，这种序列变化与季节性环境变化密切相关。 Proteobacteria、Campylobacterota、Bacteroidota和Actinobacteriota类群在塑料圈中占主导地位，同时Rhodobacteraceae、Saprospiraceae和Flavobacteriaceae类群也持续存在。在不同生物膜发育阶段检测到了可能与烃类分解或塑料相关的微生物类群，以及促进生物膜凝聚的生物。经过三个月的暴露后，PET支持了最多样化的生物膜，包含大约2,400个独特的ASVs（氨基酸序列变异体），而PVC则承载了最独特的微生物群落。

**引言**
塑料材料被广泛应用于包装、建筑、汽车和电气等领域，导致全球产量持续增加，2024年产量达到约4.3亿吨（PlasticsEurope, 2025）。然而，不充分的废物管理和回收做法导致大量塑料垃圾释放到环境中（Hahladakis et al., 2018）。一旦释放，较大的塑料颗粒会经历物理、化学和生物风化过程，逐渐破碎成较小的颗粒，即次级微塑料（MPs；1 μm < 颗粒大小 < 5 mm），最终形成纳米塑料（< 1 μm）（Ter Halle et al., 2017; Zayen et al., 2020; Li et al., 2021）。除了这些次级颗粒外，微塑料也可能来自初级来源，即 intentionally 制造的微观尺寸的塑料用于工业和消费品。现在，初级和次级微塑料都被认为是无处不在的污染物，已在大气（Amato-Louren?o et al., 2020; Sridharan et al., 2021）、海洋和陆地生态系统（Wong et al., 2020）以及通过食物链进入生物体（Kumar et al., 2021）中被检测到，甚至在人体组织中也有发现（Ragusa et al., 2021）。在海洋环境中，由于塑料的耐久性，它们被广泛用于海上活动、水产养殖和沿海基础设施。当塑料被丢弃或丢失时，它们会在环境中持续存在数十年，其积累既是一个生态问题也是一个经济问题。在环境暴露过程中，这些材料会逐渐破碎，增加在水生系统中的扩散和移动性。这些微塑料可以在表层水中悬浮很长时间，然后沉入海底栖息地（Besseling et al., 2017）。由于其持久性、疏水性和浮力，微塑料在环境传输过程中为微生物定植和生物膜形成提供了新的生态龛位（Rummel et al., 2017; Tu et al., 2020）。这些与生物膜相关的群落被称为“塑料圈”，通过微生物附着、胞外聚合物物质（EPS）分泌和随后的定植过程形成（Tu et al., 2020）。在海洋环境中，微塑料表面上的生物膜形成可以迅速发生，通常在几小时到几天内（De Tender et al., 2017）。除了作为微生物栖息地外，微塑料还成为新兴的生态和社会经济问题，因为它们可以作为污染物、入侵微生物和潜在病原体的载体，同时影响渔业、水产养殖、旅游业和沿海生态系统服务（Jacquin et al., 2019; Monràs-Riera et al., 2024）。塑料圈群落的结构和组成受多种因素的影响，包括聚合物特性（如化学成分、表面粗糙度、疏水性）、环境条件（如温度、盐度、pH值和营养物质的可用性）以及地理位置、季节和颗粒驻留时间等时空变量（Oberbeckmann et al., 2014; De Tender et al., 2017; Rummel et al., 2017; Kesy et al., 2019; Li et al., 2021）。最近的研究表明，聚合物类型可以影响早期微生物定植（Hansen et al., 2021），而生物膜的发展则是一个随着时间推移群落组成逐渐变化的过程（Rummel et al., 2021）。尽管塑料圈与周围自由生活的微生物组有根本区别（Malla et al., 2025），但一些研究显示，在相同环境条件下发育在塑料上的微生物群落与在惰性基底上定植的微生物群落没有显著差异（例如Oberbeckmann et al., 2016; Pinto et al., 2019）。在自然条件下，环境因素和暴露时间可能成为主导因素，可能导致不同聚合物类型的微生物群落趋同（Zeghal et al., 2024）。其中，暴露时间越来越被认为是塑料圈动态的关键决定因素，控制着微生物演替和多样性模式（Rummel et al., 2021; Pinto et al., 2019）。尽管一些重要的现场研究采用了较长的暴露时间来研究自然条件下的塑料圈演替（Kirstein et al., 2019; Agostini et al., 2021; Wallbank et al., 2025），但许多研究是在受控实验室条件下进行的（Harrison et al., 2014）或暴露时间相对较短（Lobelle et al., 2011; Oberbeckmann et al., 2014; Kesy et al., 2019），这可能无法完全反映自然环境中生物膜发展的复杂性。虽然塑料材料可能在海洋生态系统中持续存在数年甚至数十年，但最初的几周到几个月是微生物快速定植和群落形成的关键时期。此外，尽管越来越多的现场研究使用了特性明确的塑料基底以及与周围水的比较（Pinto et al., 2019; Oberbeckmann et al., 2016; Malla et al., 2025），但许多基于现场的研究仍然依赖于历史、年龄和传输途径不明的环境塑料垃圾（Di Pippo et al., 2020; Li et al., 2021），这使得难以区分暴露时间和环境变异性的影响。最近的一些基于现场的研究调查了暴露时间和聚合物类型对微生物群落形成的综合影响（Pinto et al., 2019; Kirstein et al., 2019; Wallbank et al., 2025）。然而，这种全面的因素设计在特定地区（如地中海南部）仍然相对有限（Tarchi et al., 2023; Moncer et al., 2025）。加贝斯湾（地中海南部）是一个生物多样性高的沿海生态系统，但也受到城市、工业和农业活动的强烈人为压力（Darmoul, 1988; Ayadi et al., 2014; Rabaoui et al., 2015; El Zrelli et al., 2017; Zaghden et al., 2022），为在真实现场条件下研究塑料圈的发展提供了一个具有环境相关性的系统。因此，本研究的目的是调查加贝斯湾（地中海南部）自然沿海条件下海水暴露时间和聚合物类型对微塑料上生物膜形成的综合影响。我们监测了线性低密度聚乙烯（LLDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）上定植的微生物群落的结构和多样性随时间的变化。这种因子现场设计允许在环境现实条件下评估时间序列变化和聚合物相关选择过程的作用。

**部分内容**
**微塑料的准备、海上部署和采样**
四种常见的海洋环境中的聚合物，具有不同的化学组成，从德国Bocholt的CARAT GmbH公司采购：线性低密度聚乙烯（LLDPE；PTX 131，3.7毫米工业后颗粒）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET；PTX 450，3.2毫米消费后颗粒）、聚苯乙烯（PS；PTX 331，4.1毫米片状物，工业后再生材料）和聚氯乙烯（PVC；PTX 500，3.6毫米软质原始颗粒）。尺寸特性基于...

**聚合物生物膜的完整序列和α多样性**
对微生物群落的高通量测序产生了总共3,684,435个原始读数。经过所有先前的步骤处理后，获得了2,950,933个读数，平均每个样本为122,955.542 ± 41,047.773个读数。平均序列长度为223.58 bp ± 5.05。所有被归类为细菌的序列聚类成了6,078个ASVs，代表39个门、77个纲、191个目、389个科和778个属。检测到的序列与细菌和古菌有关。

**讨论**
在本研究中，我们调查了加贝斯湾（地中海南部）沿海地区自然条件下海洋微生物对不同塑料聚合物的定植情况。通过在受控的时间序列中就地部署微塑料，我们能够评估暴露时间对四种广泛使用的聚合物（LLDPE、PET、PS和PVC）上生物膜发展的影响。尽管之前的研究已经描述了地中海塑料上的微生物群落特征，但...

**结论**
这项现场研究表明，海洋环境中塑料圈群落的发展主要由时间序列变化和季节性物理化学波动驱动。在90天的暴露期间，早期定植的先锋群落逐渐被更加多样化和成熟的生物膜所取代。这种后期阶段的塑料圈特征是存在可能与烃类分解相关的、与塑料相关的和稳定生物膜的微生物类群。虽然一个稳定的核心...

**作者贡献声明**
Amal Zayen：撰写 – 原始草案、验证、方法学、调查、数据分析、概念化。
Sami Sayadi：监督、资源获取。
Cherif Sammari：概念化。
Najla Mhiri：调查。
Marc Tedetti：撰写 – 审查与编辑、概念化。
Hassen Taba：调查。
Fatma Karray：撰写 – 审查与编辑、验证、监督、资源、方法学。
Vincent Fauvelle：撰写 – 审查与编辑、调查。

**未引用的参考文献**
Lobelle and Cunliffe, 2011; McMurdie and Holmes, 2013.

**资助**
本工作得到了欧洲项目“PLASTOX”的财政支持，该项目属于“健康和生产力海洋联合规划倡议”（JPI Oceans）和法国-突尼斯国际联合实验室（LMI）“COSYS-Med”的框架内。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
我们感谢突尼斯高等教育和科学研究部为A. Zayen博士提供的博士后奖学金。我们也感谢“国家海洋科学与技术研究所”（INSTM）提供的后勤支持。我们热烈感谢四位匿名审稿人的贡献，他们的富有洞察力和建设性的评论和建议显著提高了本文的质量。