水環(huán)境中微塑料表面細(xì)菌群落特征研究進(jìn)展

章宇晴，李大圳，付茜茜，馮丹，趙媛媛，俞花美，鄧惠,*，葛成軍,#

1. 海南省農(nóng)林環(huán)境過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570228 2. ?？谑协h(huán)境毒理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570228 3. 海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，?？?570228

塑料制品因其成本低、實(shí)用性高和外表美觀等特點(diǎn)已成為人類日常生產(chǎn)生活中的必需品。截至2018年，世界塑料總產(chǎn)量已達(dá)3.59億t，其中我國占比30%[1]。巨大的塑料產(chǎn)量在為人們提供便利的同時(shí)，也因?qū)ζ浯罅肯暮筒磺‘?dāng)處置，給自然環(huán)境和人類健康帶來極大威脅。據(jù)估計(jì)，到2025年，海洋中將積累2.5億t塑料碎片[2]。在物理、化學(xué)和生物外力的共同作用下，暴露于環(huán)境中的塑料垃圾易碎裂成小塊塑料[3-4]。微塑料(microplastics, MPs)通常是指粒徑<5 mm的塑料碎片[5]。其進(jìn)入水環(huán)境后，由于疏水表面能快速刺激生物膜的形成，MPs為微生物的定殖和擴(kuò)散提供了獨(dú)特的基質(zhì)和載體[6-7]。此外，由于具有比表面積大、持久性長和不易降解等特點(diǎn)，MPs極易吸附環(huán)境中的多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)、多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)等持久性有機(jī)污染物[8]和重金屬[9]，從而產(chǎn)生一系列潛在的環(huán)境問題和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2013年，Zettler等[10]首次在北大西洋的海洋塑料垃圾上發(fā)現(xiàn)了多種生物群落(包括異養(yǎng)生物、自養(yǎng)生物、捕食者和共生體)，并將塑料及其附著的生物群落組合命名為“plastisphere”(塑料圈)，“塑料圈”中微生物以細(xì)菌群落為主[11-12]。近年來，關(guān)于MPs上附著細(xì)菌群落多樣性的研究正在興起。MPs上附著的細(xì)菌群落主要來源于周圍水體[13-15]，但其群落組成和結(jié)構(gòu)與周圍水體和自然基質(zhì)中的群落有顯著差異[16-17]。MPs作為一種獨(dú)特的微生物棲息地，在改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以潛在地影響水生生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的生態(tài)功能[18]。更加值得注意的是，Keswani等[19]的研究表明該“塑料圈”可以作為病原體、糞便指示生物和有害藻華在水環(huán)境中長期存在和傳播的重要載體。此外，已有研究發(fā)現(xiàn)MPs表面降解菌的存在[10]，并進(jìn)一步證實(shí)塑料降解菌可能通過改變MPs的親水性、表面形貌和官能團(tuán)等理化性質(zhì)而影響其在水環(huán)境中的遷移行為[20]。

本文從研究方法、組成、影響因素和生態(tài)效應(yīng)4個(gè)方面較為全面地綜述了近5年國內(nèi)外水環(huán)境中MPs上細(xì)菌群落特征的研究結(jié)果，對今后開展相關(guān)工作具有指導(dǎo)意義，同時(shí)為MPs在水環(huán)境中歸宿問題的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 微塑料附著生物膜研究方法進(jìn)展(Advances in research methods of microplastics attached biofilm)

1.1 微塑料附著生物膜的表面形貌和立體結(jié)構(gòu)

MPs在水環(huán)境中暴露較短的時(shí)間(3～24 h)即可形成細(xì)菌生物膜[14,21]。細(xì)菌生物膜是一種細(xì)菌聚集體膜狀物，它是通過不可逆附著于物體表面的細(xì)菌分泌的胞外多聚物將菌體包裹其中而形成的，一般分為4個(gè)過程：細(xì)菌定殖→菌體分泌胞外多聚物→細(xì)菌增殖→形成生物膜[22]。通過觀察MPs附著生物膜的表面形貌和立體結(jié)構(gòu)，可從形態(tài)學(xué)角度初步判斷MPs表面細(xì)菌群落的組成和結(jié)構(gòu)特征。

1.1.1 生物膜的表面形貌

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)其因樣品制備方法簡單、放大倍數(shù)范圍廣、分辨率高、成像直觀、立體感強(qiáng)、幾乎不損傷和污染原始樣品等優(yōu)點(diǎn)，可以被用來原位觀察MPs附著生物膜的表面形貌特征。Arias-Andres等[23]、Wu等[17]和Shabbir等[24]使用SEM發(fā)現(xiàn)MPs表面附著有明顯的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。Feng等[25]從SEM圖上清晰地觀察到棒狀細(xì)菌和鏈球菌。在Guan等[26]的研究中，定殖到MPs表面的細(xì)菌主要以棒狀、絲狀、球形和柵欄狀為主。Arias-Andres等[27]通過SEM觀察到中寡營養(yǎng)湖泊中的MPs表面粗糙的邊緣部分有斑狀細(xì)菌定殖。

1.1.2 生物膜的立體結(jié)構(gòu)

激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope, CLSM)因其熒光成像的原理可被用于觀察細(xì)胞或組織內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)[28-30]，現(xiàn)階段被廣泛用于觀察MPs附著生物膜的立體結(jié)構(gòu)。Tu等[31]用熒光染色劑SYTO9、PI和Concanavalin A分別染色活細(xì)胞(染為綠色)、死細(xì)胞(染為紅色)和胞外聚合物(染為藍(lán)色)，通過CLSM觀察發(fā)現(xiàn)，MPs表面生物膜厚度隨著暴露時(shí)間的延長而增加。Tarafdar等[32]用SYTO9和PI分別染色活細(xì)胞和死細(xì)胞，也獲得了相似的結(jié)果。Michels等[33]和Leiser等[34]通過CLSM觀察到塑料表面生物膜中的細(xì)菌和藻類細(xì)胞。Di Pippo等[35]聯(lián)合熒光原位雜交技術(shù)(FISH)和CLSM技術(shù)分析評(píng)價(jià)生物膜組成和三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和微藻呈斑片狀定殖在MPs表面。Schlundt等[36]開發(fā)了一種利用CLSM研究“塑料圈”群落的組合標(biāo)記和光譜成像-熒光原位雜交(CLASI-FISH)方法，識(shí)別和觀察了聚乙烯樣品上微生物生物膜內(nèi)指定分類群及其空間分布，增加了分類鑒定的可信度。

1.2 微塑料表面細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性研究

在早期研究中，以變性梯度凝膠電泳(denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE)為代表的指紋圖譜技術(shù)被廣泛用于調(diào)查MPs表面的微生物群落特征，例如Oberbeckmann等[37]通過該方法對歐洲北部海域中塑料附著生物膜的微生物多樣性和結(jié)構(gòu)的空間和季節(jié)變化進(jìn)行了研究分析。但近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新一代高通量測序技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于“塑料圈”中細(xì)菌群落組成的研究分析中[37-39]。Zettler等[10]首次運(yùn)用新一代高通量測序技術(shù)，檢測分析了北大西洋中塑料碎片表面微生物群落多樣性及其與周圍海水中群落的差異，發(fā)現(xiàn)塑料基質(zhì)中物種均勻度更高，而平均豐富度更低。相比較DGGE，新一代高通量測序技術(shù)更加全面、準(zhǔn)確[15]。

測序結(jié)果通常以97%的相似度聚類為操作分類單元(operational taxonomic units, OTUs)，并以此為依據(jù)進(jìn)行細(xì)菌群落的多樣性分析。維恩圖可以直觀地顯示出各樣本間共有和特定的OTUs數(shù)量[40-41]?；贠TUs的α-多樣性(Chao1、Shannon指數(shù)等)和β-多樣性(主成分分析(PCA)、主坐標(biāo)分析(PCoA)、非度量多維尺度分析(NMDS))分別用于反映單個(gè)樣品的物種多樣性和比較樣本間物種多樣性的相似程度[42]。利用PICRUSt等菌群代謝功能預(yù)測工具，可實(shí)現(xiàn)對微生物代謝功能的預(yù)測[42-44]。運(yùn)用FAPROTAX軟件解析微生物群落功能[44]，如硝酸鹽呼吸、產(chǎn)甲烷、發(fā)酵和植物病原等，也可用于分析海洋、湖泊中硫、碳、氫和氮的循環(huán)功能。

由此可見，MPs上細(xì)菌群落多樣性的研究多以SEM和CLSM為輔助方法觀察生物膜的表面形貌和立體結(jié)構(gòu)，從形態(tài)學(xué)角度初步判斷MPs表面細(xì)菌群落的組成和結(jié)構(gòu)特征，以高通量測序技術(shù)以及測序結(jié)果的多樣性分析為核心方法確定群落組成及其功能。

2 不同水域中微塑料表面的細(xì)菌群落組成(Composition of bacterial community colonizing microplastics in different aquatic environments)

2.1 海水中微塑料表面的細(xì)菌群落組成

近年來海洋作為MPs的重要“匯”，海水中MPs上細(xì)菌群落組成的研究較淡水中更為豐富，且大多數(shù)研究主要集中在近岸海水，尤其是近岸海水養(yǎng)殖區(qū)。已有的研究顯示，海水中MPs上細(xì)菌群落的核心組成成員為變形菌、擬桿菌、藍(lán)細(xì)菌和厚壁菌，其中優(yōu)勢菌群由變形菌和擬桿菌組成，如表1所示[14-15,21-22,25,31,38-40,45-52]。由表1可知，在不同海域中MPs表面的優(yōu)勢菌群組成略有差異。鑒于MPs表面細(xì)菌主要來源于周圍環(huán)境[11,14-15]，說明這種差異可能是由周圍環(huán)境的微生物多樣性引起[14,22]。Sun等[14]的研究表明，海水養(yǎng)殖區(qū)MPs表面的微生物多樣性顯著低于近海中的，這可能是因?yàn)楹ＫB(yǎng)殖區(qū)設(shè)施數(shù)量多，造成水流減少[53]，不利于不同區(qū)域之間的養(yǎng)分交換，最終影響了海水養(yǎng)殖區(qū)的細(xì)菌群落多樣性[54-56]；此外，Parrish和Fahrenfeld[57]的研究表明，暴露于河水中的MPs表面以變形菌為絕對優(yōu)勢菌門，而暴露于污水中的MPs表面，除了變形菌門外，擬桿菌門的豐度也較高，這可能由于來源于河水和污水中的MPs表面附著的浮游細(xì)菌不同。

α變形菌和γ變形菌被描述為海洋生物膜的早期定殖者[13]，是海洋“塑料圈”變形菌門中最豐富的類群[22,25,38,47,51,58]。α變形菌中以紅細(xì)菌科(Rhodobacteraceae)為主[15,38,45-46,58-59]，且其中具有群體感應(yīng)系統(tǒng)[60]的玫瑰桿菌分支成員是MPs表面生物膜形成和演替的普遍參與者[38]。除紅細(xì)菌科外，α變形菌中的赤桿菌科(Erythrobacteraceae)和鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)也在海洋環(huán)境“塑料圈”中普遍存在且豐度較高[40,47,58-59]。此外，Bryant等[45]在北太平洋的聚乙烯和聚丙烯塑料碎片上發(fā)現(xiàn)生絲單胞菌科(Hyphomonadaceae)也是α變形菌中最豐富的菌科之一。γ變形菌中主要是假單胞菌科(Pseudomonadaceae)中的假單胞菌屬(Pseudomonas)、假交替單胞菌科(Pseudoalteromonadaceae)中的假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonas)和交替單胞菌屬(Alteromonas)[21,37,58]。Dussud等[61]在西地中海中的塑料碎片上檢測到大量藍(lán)細(xì)菌，而藍(lán)細(xì)菌被認(rèn)為是海洋塑料生物膜中的主要光自養(yǎng)微生物[37]。Quero和Luna[62]分析前人的研究結(jié)果得出，在近海，“塑料圈”核心微生物群包括擬桿菌門(黃桿菌科Flavobacteriaceae)和變形菌門(柄桿菌目Caulobacterales、生絲單胞菌科Hyphomonadaceae、紅細(xì)菌科Rhodobacteraceae和Alcanivoracaceae)。

表1 海水中微塑料(MPs)表面細(xì)菌群落組成Table 1 Microbial community composition on microplastics (MPs) in seawater

研究區(qū)域 Study area微塑料類型Microplastic types核心細(xì)菌群落Core bacterial community參考文獻(xiàn)References中國浙江省象山港海水養(yǎng)殖區(qū)Mariculture area of XiangshanHarbor, Zhejiang Province, ChinaPET、PE、PPα變形菌、γ變形菌、奇古菌、擬桿菌Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Thaumarchaeota, Bacteroidetes[51]加勒比海 The Caribbean SeaPET、HDPE、PVC、LDPE、PP、PSα變形菌、γ變形菌、擬桿菌Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Bacteroidetes[52]

2.2 淡水中微塑料表面的細(xì)菌群落組成

淡水環(huán)境中MPs上細(xì)菌群落組成的研究主要集中在城市水環(huán)境中，且與海水環(huán)境中MPs表面的細(xì)菌群落有相似之處，即變形菌、擬桿菌為優(yōu)勢菌群，除此之外，藍(lán)細(xì)菌和厚壁菌也是核心群落的成員(表2)[17-18,24,26-27,35,42,63-65]。

類似于海水中的研究，變形菌被認(rèn)為是淡水MPs生物膜上早期定殖體的常見組成成員[63]，主要由α變形菌(紅細(xì)菌科Rhodobacteraceae、鞘脂單胞菌科Sphingomonadaceae)和γ變形菌(假單胞菌科Pseudomonadaceae)為代表[16,35,63-64,66]；擬桿菌中主要包括Sphingosinobacteriaceae和黃桿菌科(Flavobacteriaceae)[16,35,63]。此外，叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)[12,63]、氣單胞菌科(Aeromonadaceae)[12,16,63]、莫拉菌科(Moraxellaceae)[12,63]和彎曲桿菌科(Campylobacteraceae)[12,16]也被發(fā)現(xiàn)是淡水MPs生物膜中的豐富科。

綜上，變形菌(α變形菌、γ變形菌)和擬桿菌是水環(huán)境“塑料圈”中的優(yōu)勢菌群，藍(lán)細(xì)菌和厚壁菌也是水環(huán)境“塑料圈”中核心群落的組成成員，放線菌次之，而海水相較于淡水，浮霉菌也可能作為核心群落組成成員。此外，徐沛等[67]研究發(fā)現(xiàn)，由于人類活動(dòng)的過度干擾，MPs存在于長江口及其鄰近海域的表面沉積物中已是一種普遍現(xiàn)象，但關(guān)于河口系統(tǒng)中MPs表面細(xì)菌群落組成的研究仍較少。Jiang等[43]通過高通量測序技術(shù)分析了長江口潮間帶MPs樣品的細(xì)菌群落組成，發(fā)現(xiàn)核心群落主要包括變形菌門、藍(lán)藻門、擬桿菌門和放線菌門，并用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析方法鑒定了重要的細(xì)菌種類(紅細(xì)菌目Rhodobacterales、鞘脂單胞菌目Sphingomonadales和根瘤菌目Rhizobiales)。Baptista Neto等[68]在維多利亞灣河口系統(tǒng)沉積物中的漁網(wǎng)碎片微纖維表面檢測到的微生物最主要是細(xì)菌，其次是硅藻殘余物、真菌絲和孢子。

3 影響微塑料表面細(xì)菌群落多樣性的因素(Factors influencing diversity of bacterial community colonizing microplastics)

3.1 微塑料暴露時(shí)間對其附著細(xì)菌群落多樣性的影響

Xu等[38,69]和Li等[39]的研究表明在海洋生境中，隨著MPs暴露時(shí)間的延長，生物膜上細(xì)菌群落多樣性呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。細(xì)菌群落在MPs生物膜上的生長是一個(gè)時(shí)間演替過程，可分為早期、中期和晚期定殖[70]，生物膜形成階段也是海洋塑料垃圾上細(xì)菌群落多樣性的影響因素之一[61]。De Tender等[11]的研究表明細(xì)菌群落在塑料碎片上的定殖存在時(shí)間梯度。隨著暴露時(shí)間的推移，α變形菌、β變形菌和黃桿菌的相對豐度增加，γ變形菌的相對豐度減少。此外，弧菌是海洋環(huán)境中聚乙烯和聚苯乙烯MPs的早期定殖體[58]，而在定殖后期階段黃桿菌科(Flavobacteriaceae)、紅細(xì)菌科(Rhodobacteraceae)、浮霉菌科(Planctomycetaceae)和葉桿菌科(Phyllobacteriaceae)的數(shù)量較多[71]。

3.2 微塑料附著細(xì)菌群落多樣性的空間差異性

已有研究證明海岸、河口和河流中MPs表面附著的細(xì)菌群落組成和多樣性均會(huì)因監(jiān)測點(diǎn)的不同而顯著不同[43,50,72]，且徐希媛[69]的研究表明，暴露海域?qū)ι锬ぶ屑?xì)菌群落的多樣性影響最大，暴露時(shí)間其次?！八芰先Α奔?xì)菌群落多樣性的空間差異主要是由鹽度、溫度、酸堿度和有機(jī)物等環(huán)境因素以及周圍環(huán)境微生物群落特征的不同引起的[13-14,38,73]，且Wang等[42]、Kesy等[58]和Li等[74]的研究結(jié)果顯示鹽度是主要因素。MPs附著細(xì)菌群落特征隨暴露深度的變化通常伴隨著周圍水溫、光強(qiáng)、pH和溶解氧等環(huán)境因素以及水體中微生物群落特征的變化，這可能是影響MPs表面生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的原因[11,22]。

3.3 微塑料理化性質(zhì)對其附著細(xì)菌群落多樣性的影響

關(guān)于MPs類型是否會(huì)影響生物膜中微生物群落多樣性，前人的研究結(jié)果并不一致。Di Pippo等[35]、Xu等[38]、Li等[39]和Wu等[41]的研究表明MPs類型對其附著微生物群落的組成、結(jié)構(gòu)和豐度沒有顯著影響。而Feng等[25]、Parrish和Fahrenfeld[57]的研究表明MPs類型是影響其生物膜上微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度的重要因素。據(jù)此，前人對MPs理化性質(zhì)方面進(jìn)一步分析。Cai等[75]的研究表明細(xì)菌附著在不同類型的塑料上可以由塑料的物理化學(xué)性質(zhì)來控制，并發(fā)現(xiàn)塑料表面硬度是影響細(xì)菌在塑料表面定殖的關(guān)鍵因素。此外，塑料表面可用性[51]、粗糙度[25,63,76]、疏水性[63,76]以及顆粒大小[51]也可能影響細(xì)菌在塑料表面的定殖過程，從而影響表面細(xì)菌群落多樣性。除了MPs表面理化性質(zhì)以外，柴然[21]和Xie等[77]的研究表明細(xì)菌在MPs上的選擇性定殖可能是由于細(xì)菌對聚合物中某些化學(xué)物的趨化性所導(dǎo)致。被MPs吸附的污染物[65,78]、塑料中的添加劑[13]以及外源化合物[24]可能也會(huì)選擇性地促進(jìn)或抑制不同細(xì)菌物種的生長，影響生物膜上的細(xì)菌群落的多樣性。

表2 淡水中微塑料(MPs)表面細(xì)菌群落組成Table 2 Microbial community composition on microplastics (MPs) in freshwater

綜上，暴露時(shí)間、空間以及自身理化性質(zhì)都可能是影響MPs表面附著細(xì)菌群落多樣性的重要因素。事實(shí)上，水環(huán)境中MPs表面的細(xì)菌群落多樣性并不是單一影響因素作用的結(jié)果，而是由多種因素相互作用產(chǎn)生的[11]，但在特定情況下可能會(huì)由某種影響因素發(fā)揮主導(dǎo)作用，例如Oberbeckmann等[59]研究發(fā)現(xiàn)，總體上MPs表面參數(shù)對附著生物膜細(xì)菌群落的影響次于環(huán)境因素，但在細(xì)菌定殖MPs的早期階段，表面參數(shù)起主導(dǎo)作用，且空間因素的重要性隨著時(shí)間的推移而增加；而另一種解釋為相較于表面參數(shù)，環(huán)境因素可能通過影響調(diào)節(jié)膜的形成從早期定殖階段起就對細(xì)菌群落在MPs表面的定殖具有更大的影響。

4 微塑料上細(xì)菌群落的生態(tài)效應(yīng)(Ecological effects of bacterial community on microplastics)

4.1 微塑料作為潛在病原體的載體

已有研究發(fā)現(xiàn)潛在病原體是塑料附著微生物群落的“搭便車者”[43]。Vir?ek等[47]在亞得里亞海北部MPs上首次鑒定出致病性魚類細(xì)菌殺鮭氣單胞菌。Gong等[63]的研究表明，我國暨南大學(xué)一個(gè)校園湖泊中在低密度聚乙烯上定居的豐度前20位的細(xì)菌屬中有一半是潛在的病原體，例如植物病原體土壤桿菌、醫(yī)院病原體金黃桿菌和魚類病原體黃桿菌。

弧菌作為海洋中一種普遍存在的潛在致病菌，前人的研究已證實(shí)其在MPs上普遍存在[14,38-39]，弧菌屬的許多物種對人類以及魚、蝦和貝類等海洋動(dòng)物具有致病作用，同時(shí)弧菌也是珊瑚白化、溶解、白帶和黃斑病的病原體[25]。例如，Kirstein等[79]在來自北海/波羅的海的聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯MPs顆粒上檢測到了潛在致病性副溶血弧菌；柴然[21]在暴露于養(yǎng)殖海域的MPs上檢測到了屬于弧菌屬的海洋生物病原菌，如副溶血弧菌和創(chuàng)傷弧菌等。除弧菌屬外，假單胞菌屬也是水環(huán)境中MPs上常見的潛在致病菌屬[12,15,25,39,41,43,50]。更加值得注意的是，已有較多的研究結(jié)果表明，與周圍水體和自然基質(zhì)相比，MPs表面定殖的弧菌、假單胞菌等潛在致病菌的相對豐度更高[14,21,25,41,58]。此外，Kesy等[58]和Li等[74]發(fā)現(xiàn)MPs上弧菌屬的豐度和水環(huán)境中鹽度呈正相關(guān)；江沛霖[15]研究發(fā)現(xiàn)夏季MPs樣品中潛在病原菌的豐度占比相較于冬季更高。由此可見，環(huán)境因素是影響水環(huán)境中MPs表面生物膜中潛在病原體豐度的重要原因。

4.2 微塑料表面存在塑料降解菌

Xu等[38]、Li等[39]和Dussud等[61]通過SEM觀察到了MPs表面的降解跡象；Shabbir等[24]在質(zhì)量損失估算的基礎(chǔ)上，利用SEM、紅外光譜和凝膠滲透色譜觀察到的MPs表面的形態(tài)變化進(jìn)一步證實(shí)了生物降解；Niu等[20]的研究表明，塑料降解菌是MPs降解的關(guān)鍵因素，并通過塑料降解菌在MPs上的豐度和介數(shù)中心性的增加，以及使用接觸角測量、SEM和傅里葉變換紅外光譜對MPs進(jìn)行表征，證實(shí)了較深的沉積層可能促進(jìn)MPs的生物降解。McCormick等[12,72]的研究表明假單胞菌科在MPs表面有富集現(xiàn)象，假單胞菌是降解高密度聚乙烯[80]、低密度聚乙烯[81]和聚丙烯[82]等塑料聚合物的相關(guān)細(xì)菌；且假單胞菌屬能夠產(chǎn)生絲氨酸水解酶、酯酶和脂肪酶等酶系，這些酶有助于塑料的生物降解[83]。除假單胞菌以外，已有研究還發(fā)現(xiàn)紅桿菌屬[50]、芽孢桿菌屬[63]和黃桿菌屬[35]等烴降解菌是MPs表面生物膜中的優(yōu)勢菌。Zettler等[10]在北大西洋的研究中通過SEM和小亞基rRNA基因鑒定出了幾種僅存在于塑料碎片表面而在海水中沒有檢測到的烴降解細(xì)菌；此外，他們通過網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，雖然潛在烴降解分類群的單獨(dú)存在并不意味著它們與塑料降解有關(guān)，但OTUs的聯(lián)合體可能共同作用來利用頑固的碳源，這對于未來塑料降解菌的研究可能具有重要意義。

4.3 微塑料表面微生物攜帶并傳播抗生素抗性基因

已有研究表明水環(huán)境包括污水中的MPs微生物對抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)具有富集作用[17,64-65]。Yang等[84]通過分析北太平洋環(huán)流塑料顆粒的宏基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)多藥抗性基因和多金屬抗性基因是塑料微生物群中檢測到的主要基因類別，并首次報(bào)道總ARGs(64個(gè)亞型)在MPs中的相對豐度顯著大于海水(P<0.05)；Wu等[17]研究發(fā)現(xiàn)MPs生物膜中相對豐度最高的ARGs亞型屬于多藥抗性型，MPs生物膜可作為金屬和ARGs的共同選擇和轉(zhuǎn)移的焦點(diǎn)[85]。進(jìn)一步的研究表明水環(huán)境中MPs可能是水平基因轉(zhuǎn)移的熱點(diǎn)[59]，相較于水中的浮游細(xì)菌群落，MPs中的水平基因轉(zhuǎn)移可能具有更高的水平[64]，例如ARGs。值得注意的是MPs生物膜中ARGs的微生物宿主，例如Wu等[17]在MPs上檢測到的2種機(jī)會(huì)性人類病原體(Pseudomonasmonteilii、Pseudomonasmendocina)和1種植物病原體(Pseudomonassyringae)。綜上來看，MPs可能作為抗性基因進(jìn)入新環(huán)境的載體，對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)并對人類健康產(chǎn)生不利影響。

圖1 水環(huán)境中微塑料的附著生物膜注：ARG為抗生素抗性基因；MRG為金屬抗性基因；EPS表示胞外聚合物。Fig. 1 Microplastic-associated biofilm in the aquatic environmentNote: ARG stands for antibiotic resistance gene; MRG stands for metal resistance gene; EPS stands for extracellular polymeric substances.

4.4 微塑料附著細(xì)菌群落影響水環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)

鑒于MPs表面的微生物群落多樣性不同于周圍水體[16,72]，作為一種獨(dú)特的微生物棲息地，其附著的微生物群落具有不同于自由生活的浮游微生物群落的生活方式、代謝途徑和生物地球化學(xué)活動(dòng)[45]，從而可能影響水環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)。MPs表面的群體感應(yīng)細(xì)菌[43]和其他富集的細(xì)菌物種[14](弧菌、假交替單胞菌和交替單胞菌)分別在MPs周圍碳循環(huán)和碳代謝中起到重要作用，因此未來應(yīng)進(jìn)一步研究MPs附著細(xì)菌對與碳水化合物代謝相關(guān)的海洋碳循環(huán)的影響。Dussud等[61]在西地中海中的塑料碎片上檢測到大量藍(lán)細(xì)菌，并指出它們可能影響地表海洋的全球碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)。Chen等[86]的研究表明，MPs表面的附著生物膜可能通過提高反硝化能力影響淡水中的氮循環(huán)，通過吸附和微生物介導(dǎo)的磷轉(zhuǎn)化影響淡水中的磷循環(huán)。Xie等[77]在暴露于紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中的MPs附著生物膜上檢測到了對于碳循環(huán)或硫循環(huán)具有重要意義的獨(dú)特優(yōu)勢菌群。

綜上來看，MPs一方面為附著細(xì)菌群落及其可移動(dòng)遺傳元件在水環(huán)境中的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、分散提供了載體，這些可移動(dòng)遺傳元件包括ARGs和致病菌[27,87](圖1)，從而可能危害生態(tài)系統(tǒng)安全和人類健康。另一方面，“塑料圈”上細(xì)菌群落的多樣性影響水環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)。此外，由于MPs上塑料降解菌的發(fā)現(xiàn)，增加了塑料降解菌篩選技術(shù)的可行性。

5 結(jié)論與展望(Conclusions and perspectives)

綜上，筆者對本領(lǐng)域研究現(xiàn)狀總結(jié)如下：

(1)MPs上細(xì)菌群落多樣性的研究以高通量測序技術(shù)以及測序結(jié)果的多樣性分析為核心方法，以SEM和CLSM為輔助方法。

(2)海水、淡水環(huán)境中MPs表面附著的細(xì)菌群落均以變形菌門、擬桿菌門占主導(dǎo)。

(3)暴露時(shí)間、暴露地點(diǎn)以及自身理化性質(zhì)均可能是影響MPs表面附著細(xì)菌群落多樣性的重要因素。

(4)MPs可以作為ARGs、致病菌和降解菌在水環(huán)境中遷移的載體，且MPs表面的細(xì)菌群落影響水環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)。

目前MPs附著生物膜的研究主要集中在細(xì)菌群落，對“塑料圈”中的藻類、真菌等其他生物的研究較為匱乏，亟待更多的基礎(chǔ)研究；水環(huán)境研究范圍分布不均衡，主要集中在近海環(huán)境，因此應(yīng)加強(qiáng)遠(yuǎn)洋、入?？诤蛢?nèi)陸地表水，尤其是城市水環(huán)境中的研究，以此探索全球范圍水環(huán)境中MPs表面微生物群落的定殖規(guī)律及其生態(tài)效應(yīng)。此外，雖然已有較多研究指出MPs表面附著生物膜具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但關(guān)于MPs及其附著生物膜對水體/沉積環(huán)境、水生生物和人類的聯(lián)合毒性及其作用機(jī)制亟待進(jìn)一步揭示。在繼續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)信息積累的同時(shí)，未來的研究方向應(yīng)更加側(cè)重于MPs污染防治的對策和措施的制定、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面。

通訊作者簡介：鄧惠(1988—)，女，博士后，主要研究方向?yàn)樾滦臀廴疚锃h(huán)境行為。

共同通訊作者簡介：葛成軍(1977—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槲廴疚锃h(huán)境行為與健康風(fēng)險(xiǎn)。