通过一种新型的现场-实验室耦合方法，直接证明了微塑料介导的微生物在河流-海洋过渡区域的迁移过程

《Environmental Pollution》：Direct Evidence of Microplastic-Mediated Microbial Migration Across the River-Sea Transition via a Novel Field-Laboratory Coupled Approach

本研究通过结合现场与实验室实验，评估了不同成熟期微塑料片屑（plastisphere）对海洋微生物群落的影响。结果表明，长期（140天）孵化的plastisphere迅速改变海洋群落结构（第1天），但影响在第7天减弱；而28天及140天孵化的plastisphere显著提升微生物多样性并携带抗生素抗性基因（ARGs）和致病因子（VFs），效应持续至第7天。同时检测到耐盐致病菌，提示plastisphere可能作为微生物及基因传播载体。研究揭示了plastisphere迁移过程中对海洋生态系统的动态影响及潜在风险。

　　

梅琦静|张晓涵|李晓峰|谭玲申|牛志光|马永正

天津大学海洋科学与技术学院，中国天津300072

摘要

每年有大量的微塑料（MPs）从河流被输送到海洋中。被生物膜覆盖的微塑料被称为“塑料球”，可能介导微生物的转移。以往的研究主要集中在塑料球本身的演变上，包括野外实验及其在迁移过程中的变化。关于它们对海洋生态系统影响的直接证据仍然有限。为了解决这一问题，我们结合了野外和实验室实验，直接评估了微塑料对河流到海洋转变过程中海洋微生物群落的影响。微塑料在淡水中分别孵育了0天、28天和140天，然后转移到一个用淡水微生物组构建的实验室模拟海洋微生态系统中，让微生物群落适应环境，再在实验室中继续孵育1天、3天和7天。通过宏基因组分析研究了微生物群落的动态变化。长期孵育的塑料球（140天）从第1天起就迅速使海洋群落结构向塑料球类似的组成转变。然而，这种整体结构变化在第7天时减弱了。有趣的是，28天和140天孵育的塑料球导致微生物物种多样性增加，以及抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子（VFs）的数量增加，这种效应持续到了第7天。此外，还检测到了耐盐的潜在致病细菌，反映了塑料球作为载体的作用。这项研究提供了直接证据，表明塑料球介导了微生物的转移，从而增强了多样性并传播了抗生素抗性基因和毒力因子，有助于更好地理解微塑料的潜在生态和环境风险。

引言

在过去七十年中，全球塑料产量呈指数级增长——从1950年的约200万吨增加到近年来的近4亿至4.6亿吨——但全球回收率一直停滞在5%-9%左右（Geyer等人，2017年；Houssini等人，2025年）。环境中的塑料经历物理、化学和生物降解过程，形成了塑料碎片（Yang等人，2024a；Yang等人，2024b）。其中，直径≤5毫米的颗粒被归类为微塑料（MPs），它们广泛存在于各种环境介质中（Paes等人，2022年；Thompson等人，2004年）。作为全球污染的最终归宿，海洋每年接收约1亿至2亿吨的塑料废物（Jambeck等人，2015年；Meijer等人，2021年；OECD，2022年）。河口是微塑料进入海洋环境的主要通道（Di Pippo等人，2023年；Di等人，2024年）。据估计，河流排放的微塑料占进入海洋的微塑料总量的80%（Meijer等人，2021年）。

水生环境中的微塑料可以被微生物定植，形成生物膜，带来潜在的环境风险。当塑料球从河口环境转移到海洋环境时，其生物膜中的细菌、污染物和其他相关成分有可能被带入海洋（Silva等人，2023年；Zhang等人，2023年；Zhao等人，2023年；Zhao等人，2024年；Zhou等人，2024年）。抗生素抗性基因（ARGs）、毒力因子（VFs）与微塑料生物膜的共存引发了人们对它们作为微生物传播和基因交换载体的潜在作用的日益关注（Feng等人，2023年；Silva等人，2023年；Wang等人，2022a）。

在环境传输过程中，塑料球群落通常与周围的水生微生物群落不同，表现出特定类群和功能基因的富集（Li等人，2024年；Wang等人，2025年；Zhao等人，2024年）。一些随机采样研究在塑料球中发现了周围水中不存在的入侵物种和病原体（Kirstein等人，2016年；Vir?ek等人，2017年）。

然而，最近的证据表明，这些风险可能不会持续存在（Tu等人，2020年；Tulloch等人，2024年）。运输过程中的塑料球上的微生物群落逐渐向当地群落趋同，这一过程被称为“塑料球定位”（Zhang等人，2021年；Zhang等人，2023年）。然而，研究表明，即使在迁移后15天，微塑料仍然可以携带周围栖息地中不存在的微生物和抗生素抗性基因（Zhang等人，2023年；Zhao等人，2024年）。因此，最初附着在塑料球上的微生物类群的命运尚不清楚，它们的生态影响也尚未完全了解。

迁移的塑料球是否有可能携带新的细菌“入侵”新的环境？Zhang等人回顾了有关塑料球迁移的先前研究，并提出了一个描述细菌入侵过程的三阶段框架：到达、落定和生长（Zhang等人，2024年）。由于野外环境的开放性和复杂性，迁移的微塑料球对周围生态系统的原位影响尚不清楚，特别是关于表面相关细菌和抗生素抗性基因的潜在传播。以往的研究主要依赖于实验室模拟，而这种受控环境往往会对微生物群落施加选择压力，通常有利于某些细菌菌株，因此无法完全捕捉塑料球迁移的自然发展和生态后果（Metcalf等人，2023年；Vass等人，2024年；Zhang等人，2024年）。此外，自然环境中的物理因素——如流速和出流速度的差异或水闸等水力结构——可能会影响微塑料在进入海洋之前的滞留时间和生物膜的成熟（Li等人，2019年；Tu等人，2020年）。

为了解决这一空白，我们设计了一种结合野外实验和实验室研究的新方法。该方法包括原位孵育和实验室模拟，旨在重现塑料从淡水到海洋环境的转变过程。通过设置0天、28天和140天的原位孵育期，获得了不同成熟阶段的塑料球；进一步在实验室中孵育1天、3天和7天，我们评估了不同成熟阶段对海洋环境的短期影响。具体来说，本研究旨在：（1）描述迁移的塑料球对海洋环境中微生物群落组成的影响。（2）评估孵育时间对塑料球生态影响的作用。（3）确定微塑料生物膜在新环境中释放抗生素抗性基因和毒力因子的潜力。通过回答这些问题，本研究填补了关于微塑料生物膜在介导细菌和抗性基因从河流到海洋迁移中的作用的关键知识空白，从而有助于更好地理解塑料污染在水生系统中带来的生态风险。

研究区域和材料

由于聚乙烯（PE）在河流和海洋环境中广泛存在且含量高，因此被选为本研究的代表性微塑料类型（Prabhu P等人，2022年；Kakade A等人，2024年；Chen J Q等人，2025年；Bhan C等人，2025年）。特别是在海河口，PE是检测到的主要聚合物，占河流沉积物中微塑料的约49%，并且在表层水和沉积物中都很常见（Liu等人，2021年；Wu等人，2019年）

第0天时塑料球及其周围水体中的初始微生物、抗生素抗性基因和毒力因子特征

在采样时对塑料球、河口水和海水的微生物群落进行表征，为解释后续暴露实验中观察到的变化提供了关键背景。收集时塑料上生物膜的形成情况反映了其对下游海洋微生物群落变化的潜在影响。同时，评估河口水的微生物组成有助于了解形成这些变化的环境背景

结论

自然水生系统的开放性以及塑料球引入后的定位过程表明，之前对塑料生物膜环境影响的担忧可能被高估了。通过比较在河水中孵育0天、28天和140天的塑料球对海洋细菌群落的影响，本研究旨在补充和完善现有的相关研究。

总体而言，塑料球对海水微生物群落的影响有限。

作者贡献声明

马永正：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。牛志光：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。谭玲申：软件开发，项目管理，调查。李晓峰：撰写 – 审稿与编辑，监督。张晓涵：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，调查，概念构思。梅琦静：撰写 – 审稿与编辑，原创内容

未引用参考文献

Amaral-Zettler等人，2020a；Li等人，2019年；Preece和Hartman，2024年；Shruti等人，2024年；Vlaanderen等人，2023年；Wang等人，2022年；Yang等人，2024年；Zhang等人，2018年；Zhang等人，2021年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。