塑料的影响不仅在自身其表面的微生物影响可能更深远_风闻

中科院之声-中国科学院官方账号-2022-07-21 07:43

2022-07-21

1907年，第一代塑料Bakelite（酚醛塑料）的问世，标志着人类科技的进步。自此，塑料作为一种新的产品逐渐进入人们的视野。由于成本低，稳定性高和延展性好，塑料一度被广泛使用。截止到2019年，每年生产的塑料已经超过了3亿6千万吨（图1）。其中，中国生产的塑料占全球总量的31%。

图1. 全球塑料产量与塑料发明史 (引自Amaral-Zettler et al. Ecology of the plastisphere, Nat. Rev. Microbiol.)

频繁使用塑料的后果就是，世界上罕有无塑料的“净土”。近些年来，各种陆地和水生生态环境中（微/纳）塑料的分布、种类和丰度已经大量报道。从陆地到大气，从土壤到水体，从表层水体到深层沉积物，从河口海岸边到人迹罕至的南北极地区，都检测到塑料的存在。塑料污染已席卷全球。

地球上，大部分塑料最后“归宿”就是海洋，所以，海洋塑料污染尤为严重。据估算，全球每年有1100万吨塑料流入海洋。2021年联合国环境规划署发布了《从污染到解决方案：海洋垃圾和塑料污染全球评估》报告。报告显示，海洋垃圾中85%是塑料；到2040年，流入海洋生态系统的塑料垃圾量将增加近两倍，相当于每一米海岸线将产生50公斤的塑料垃圾。

图2 海洋塑料残骸 (引自Visually, https://visual.ly/tag/marine-debris)

海洋中的塑料对海洋生态系统造成了不可逆的生态影响。首先，塑料自身会释放一些非活性的单体和寡聚体和添加剂（增塑剂、抗氧化剂以及阻燃剂）等有毒有害物质（图3）；同时也会吸附周围水体中的残留的有机物（多环芳烃、多氯联苯等）和重金属，这些都对海洋（如浮游类、贝类、龟类以及哺乳类生物）生物造成威胁。其次，漂浮在海洋中的塑料，在风化、水里剪切以及生物体干扰下，逐渐形成微/纳塑料（粒径小于5cm和小于100nm）。这些塑料颗粒，很容易被海洋生物吸入体内，甚至进入血液中，造成代谢紊乱。

图3. 海洋塑料残骸释放和吸附的化学物质 (引自Microplastic Contamination in Aquatic Environments, Chapter 9)

据报道，所有的海洋生物体都在面临着塑料垃圾带来的饥荒和窒息的风险。海洋中的各类生态系统（如河口、海岸、远洋以及水体、沉积物等）也饱受着塑料垃圾的污染和困扰。因此，如何遏制海洋塑料污染，评估塑料垃圾对海洋生态环境的影响，是亟待解决的环境热点问题。

除了塑料本身的危害外，塑料还可以作为一种新的人工表面，为微生物提供附着的基质和生态位，使得微生物在其表面生长繁殖，形成生物膜，这种新的人造生态系统被称为塑料际。塑料际的生态影响是近些年的研究热点。之前估算塑料表面的生物量占海洋表层水体生物量的0.01%-6%。由于目前的研究只能量化到进入海洋塑料量的1%，所以塑料表面的生物量可能是巨大的。

中科院城市环境研究所朱永官团队前期的研究工作已经揭示塑料际中微生物群落（藻类、细菌、古菌、真菌、病毒和原生生物等）的富集和演替，探索了微生物群落内部的交互作用、代谢能力以及微生物群落如何影响周围环境（图4和5）。相关成果以Temporal Dynamics of Antibiotic Resistome in the Plastisphere during Microbial Colonization和Viral diversity and potential environmental risk in microplastic at watershed scale: Evidence from metagenomic analysis of plastisphere为题，分别发表在Environmental Science & Technology和Environment International上。

图4 塑料际与周围水体中细菌群落的组成与差异

图5 塑料际（微塑料）与周围水体中DNA病毒群落的组成

该团队也系统研究了土壤中塑料际的微生物膜，他们发现塑料际内所发育的生物膜具有较高的生态风险，是抗性基因和病原微生物汇集的潜在热区（图6），相关成果以Soil plastispheres as hotspots of antibiotic resistance genes and potential pathogens为题，发表在The ISME Journal上。

图6 塑料际（微塑料）与周围土壤中病原菌和抗性基因的相对丰度

海洋塑料际具有与周围水体不同氧化还原梯度的微环境，因此定殖在塑料际中的微生物可能会呈现不同的生物地球化学循环模式；然而，塑料际在元素地球化学循环过程中发挥的功能潜势的研究相对较少。因此，探究塑料际的生态功能及其参与的元素循环过程，对于全面理解和评价海洋环境中塑料的污染问题，至关重要。

近日，中科院城市环境研究所朱永官院士团队又发现，河口塑料际具有较高的反硝化活性和强温室气体N2O释放能力，高于周围水体释放N2O的1.5-2倍。研究还发现，这些温室气体释放主要是由细菌和真菌等生物介导的反硝化途径贡献的。与周围水体相比，塑料际表面的反硝化微生物群落具有较高生态位宽度和重叠率，并且呈现了不同反硝化核心物种。这些结果对于深入理解和评估漂浮在海洋系统中塑料碎片的生态作用和环境效应具有重要意义。相关研究成果以Estuarine plastisphere as a potential hotspot for N2Oproduction为题，发表在Nature Communications上（图7）。

图7 塑料表面生物形成过程及N2O释放