The Innovation | 全球塑料际微生物生态风险

导读

塑料污染是全球重大环境问题之一。作为人类世（人类当前所处的由人类活动发挥主导影响的地质时代）的标志和典型的人造表面，塑料为微生物提供了一个新生态位——塑料际。揭示这个由塑料作为基质的人造生态系统中微生物群落的独特性并阐明其生态健康效应有助于全面评估塑料污染风险并制定应对策略、了解人类活动对地球生态系统的影响及其反馈、拓展对特殊生境微生物生态的认知，对实现人类与环境的可持续发展具有重要意义。

图1 图文摘要

塑料污染是当前全球重大环境问题之一。塑料制品的大规模生产、快速更新换代（三分之一的塑料制品为一次性包装塑料）、难降解性以及低回收率（~80%堆积在垃圾填埋场或自然环境中）使得塑料垃圾在环境中大量堆积，改变了地球生态系统的原有面貌，威胁着人类的可持续发展。

塑料表面为微生物提供了一个供其附着、支撑其生长并且能够携带其远距离传输的新生态位，这个由塑料作为基质的人造生态系统被称为“塑料际（The plastisphere）”。塑料进入环境中后能够快速被微生物定殖形成生物膜，据估计，1克海洋塑料碎片上承载的微生物生物量能比1000升公海海水的微生物生物量还要高近一个数量级。

塑料垃圾巨大的环境储量和逐年攀升的排放量意味着塑料际是一个总面积广阔且持续扩张的、承载了众多微生物的新生境。而单个塑料的体积可小至进入食物链，意味着塑料际携带微生物可进入生物体内造成复合污染效应。微生物驱动着元素的生物地球化学循环、调控着动植物和人类的健康、影响着农业生产以及食品安全，并在全球食物网中起着不可或缺的关键作用。因此，揭示塑料际中的微生物生态模式并阐明塑料际通过装配微生物而造成的生态健康威胁有助于全面评估塑料污染风险、深化对人类活动驱动的地球健康效应的认知。

通过结合野外采集的样本与公共基因库，本研究建立了全球塑料际微生物基因集，发现塑料际装配了结构显著异于自然环境的微生物群落，塑料际选择性富集微生物，使得大部分微生物类群在塑料际与自然环境之间存在显著的丰度差异（图2）。塑料际微生物群落异质性更高，确定性因素主导了塑料际微生物群落装配过程（图2）。

图2 全球塑料际微生物群落独特性。(A) 样品分布；(B) 塑料际微生物群落与自然环境微生物群落之间存在显著的结构差异；(C) 塑料际微生物群落具有更高的异质性；(D) 多数微生物类群在塑料际和自然环境之间发生显著的丰度调整；(E) 塑料际微生物主要来自周围环境但其只贡献了塑料际微生物的一个子集；(F) 塑料际微生物的生境生态位宽幅更窄；(G) 确定性过程主导塑料际微生物群落装配。

本研究通过建立生态网络揭示了塑料际中的微生物共存特征。发现微生物的共存模式在塑料际中被重新塑造，支撑塑料际生态网络的节点与支撑自然环境生态网络的节点组成大不相同，塑料际中出现的微生物关联多属于专性关联（仅出现在塑料际中而未出现在其相应自然环境中的微生物关联），塑料际微生物生态网络的复杂性和稳定性显著低于自然环境（图3）。

图3 塑料际中产生新的物种共存模式。(A) 淡水、海水和陆地生态系统中塑料际和自然环境中微生物生态网络概览；(B) 塑料际微生物生态网络的复杂性更低；(C) 塑料际微生物生态网络的稳定性更低；(D) 支撑塑料际生态网络的节点与支撑自然环境生态网络的节点组成具有显著差异；(E) 塑料际中专性微生物关联组成。

研究发现塑料际微环境驯化出具有高有机化合物代谢潜力的微生物群落，可能会加速生态系统中有机质的周转（图4）。参与氮循环的微生物丰度在塑料际中被显著改变，特别是淡水生态系统的塑料际中富集了参与反硝化过程的菌群，这可能会增加亚硝酸盐（对水生生物可产生毒害作用）和氧化亚氮（温室气体）的释放（图4）。本研究对区域尺度采集的样本进行了宏基因组测序，碳氮相关功能基因的分析结果支持了以上基于全球细菌群落的功能评估结果（附图22-25）。

图4 塑料际微生物生态功能特征

研究发现植物、动物和人类致病菌均在塑料际中被显著富集（图5）。由于塑料在水生生态系统中更容易被鱼类通过滤食行为误食而产生健康风险，所以本研究基于鱼类致病菌数据库专门分析了塑料际带来的鱼类健康风险，结果发现鱼类致病菌也在塑料际中被显著富集（附图28）。宏基因组分析结果发现编码毒力因子的基因在塑料际中也呈现出显著高的丰度（附图29），支持了基于全球细菌群落的致病潜力评估结果。本研究还发现多种在塑料际中出现的致病菌在相应自然环境中未被检测到（图5），说明塑料际具有携带致病菌进行远距离、跨生态系统传输的潜在风险。

图5 塑料际富集致病菌威胁同一健康

图6 塑料际微生物群落带来的生态健康风险

总结与展望

通过构建全球塑料际微生物图谱，本研究揭示了塑料际通过选择性装配其特有微生物群落而产生的生态安全和人类健康风险（图6）。塑料作为人类工业文明的产物与代表，塑料表面作为典型的人造表面，本研究结果有助于了解人类活动导致的全球人造表面激增而造成的地球健康风险。本研究呼吁将塑料污染的微生物风险纳入其风险评估框架，综合考虑塑料的物理、化学和生物作用在不同环境中产生的差异化生态效应从而确定优先管控区域。本研究发现塑料际微环境驯化出高有机化合物代谢潜力的微生物群落，未来有望通过在塑料际中富集和筛选相关菌群研发塑料的微生物降解技术和产品，为全球塑料污染提供解决方案。

责任编辑

胡亚伟清华大学

赵博中国科学院昆明动物研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00171-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第一期以Article发表的“Ecology and risks of the global plastisphere as a newly expanding microbial habitat” (投稿: 2023-08-10；接收: 2023-11-17；在线刊出: 2023-11-21)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100543

引用格式：Li C., Gillings M., Zhang C., et al. (2024). Ecology and risks of the global plastisphere as a newly expanding microbial habitat. The Innovation. 5(1), 100543.

作者简介

金灵，香港理工大学土木及环境工程学系&医疗科技及资讯学系联聘助理教授（Presidential Young Scholar）。研究方向为化学与微生物污染复合毒性效应评估，具体研究课题包括空气污染-天然免疫-呼吸道感染、病原微生物的环境传播、海洋污染-免疫抑制/神经损伤-濒危动物健康等。目前已在Nature、The Innovation、PNAS、National Science Review、Environmental Science & Technology等国际权威期刊发表论文50余篇，担任ACS Environmental Au编委、Environmental Science & Technology特刊客座编辑、The Innovation与iMeta青年编委。

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Ling-Jin-14

刘建，山东大学环境研究院教授、博士生导师、环境生态学研究所所长，山东大学黄河国家战略研究院-黄河流域生态保护和环境治理中心执行主任。担任PLoS ONE、Water期刊学术编委。长期从事湿地生态学、生态系统固碳与碳中和、生物入侵生态学、生态环境大数据分析等方向的研究工作，研究的主要科学问题是生态系统对环境变化的响应和机理、生态系统的固碳机理和影响因素。近年来承担国家自然科学基金、国家重大水专项、国家重点研发计划、山东省自然科学基金、山东省环保厅项目等课题二十余项。发表学术论文近200篇，其中以第一/通讯作者在The Innovation、Water Research、iMeta、Diversity and Distributions等学术期刊上发表SCI论文60余篇，获得省部级奖励5项。

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Jian-Liu-86

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