关于大气塑料圈中微生物演替及健康风险的新见解

《Environmental Research》：New Insights into the Microbial Succession and Health Risks of Atmospheric Plastispheres

本研究通过为期两个月的户外实验结合高通量测序分析，系统揭示了大气微塑料上微生物群落演替规律及其健康风险。实验发现微塑料初期呈现聚合物特异性定殖特征，但长期后群落结构趋同于自然和非塑料基质，功能代谢由化能异养转向光自养主导。值得注意的是，微塑料显著富集7种病原体（其中4种在后期出现），其保护性生物膜环境可能持续增加呼吸道感染风险。研究首次完整呈现大气微塑料从定殖到成熟的全过程微生物动态，为评估其生态与健康风险提供新证据。

　　

饶文鑫|范一凡|陈梅|钱欣|张龙江

中国生态环境部南京环境科学研究院，南京210042

摘要

大气中的微塑料为微生物提供了独特的生存环境，促进了“塑料球”（plastisphere）的形成。然而，其微生物演替动态及其相关的健康风险仍知之甚少。为填补这些关键知识空白，本研究进行了为期两个月的户外原位培养实验，重点比较了微塑料、天然基质和非塑料基质上的细菌定植模式。最初，与塑料相关的微生物群落表现出特定的聚合物依赖性定植特征。随着时间的推移，这些群落逐渐趋同，形成了高度相似的组成。从功能上看，化能异养途径的相对丰度下降，而依赖光的过程比例显著增加。有7种病原体在塑料基质上特别富集，其中4种仅在后期被检测到，这表明在生物膜成熟过程中可能存在病原体的积累。尽管病原体的相对丰度有所下降，但保护性的生物膜微环境可能仍维持其传播风险。本研究强调了大气微塑料作为细菌载体的独特作用，阐明了其演替动态和健康影响的关键方面，并突出了在大气压力下光自养作用的适应性。它为深入理解大气微塑料的环境和健康影响提供了重要见解。

引言

微塑料已广泛分布于全球各种环境系统中，包括海洋、淡水、陆地和大气系统（Cheng等人，2021；Lwanga等人，2022；Wei等人，2022；Syafina等人，2022；Nash等人，2023；Zhang等人，2024）。在人类组织（如肺部、关节和胎盘）中发现微塑料引发了人们对生态系统和人类健康潜在风险的担忧（Amato-Louren?o等人，2021；Ragusa等人，2021；S. Huang等人，2022；Z. Li等人，2023；Yang等人，2025），其中一个主要威胁是它们作为微生物载体的作用。大量研究表明，微塑料为微生物提供了独特的生存环境，促进了表面相关生物膜（称为“塑料球”）的形成（Zettler等人，2013；Wright等人，2020）。这些“塑料球”内的微生物群落组成通常与周围环境或自然颗粒上的显著不同（Hou等人，2021；Niu等人，2021）。研究报道，“塑料球”内的微生物多样性降低，同时共现网络更加紧密（Wu等人，2019；Wang等人，2020）。还观察到“塑料球”内细菌的功能差异，这可能干扰生物地球化学循环（Liu等人，2025；Su等人，2022）。重要的是，多项研究指出机会性病原体在“塑料球”中选择性富集（Shi等人，2020；Bowley等人，2021）。此外，有证据表明抗生素抗性基因（ARGs）在“塑料球”中积累，且水平基因转移的潜力增加（Joo等人，2025；Syranidou和Kalogerakis，2022）。

“塑料球”的形成和组成受到内在和外在因素的共同影响。内在因素包括塑料的物理化学性质，如疏水性、表面粗糙度和添加剂成分（Gong等人，2019；Yuan Cheng等人，2021；H. Huang等人，2022；Gulizia等人，2025）；外在因素涉及温度、盐度、季节性和地理位置等环境条件（Amaral-Zettler等人，2020；Oberbeckmann和Labrenz，2020；Rajcoomar等人，2024；Chen等人，2025）。研究表明，表面粗糙度较大的塑料支持更高的微生物生物量（Pires等人，2025），而不同类型的聚合物则容纳独特的微生物群落（K. Li等人，2023）。在红树林生态系统中，“塑料球”的细菌多样性在适度盐度下最高（Li等人，2025）。此外，“塑料球”会根据环境条件的变化而表现出适应性组成变化（Conan等人，2022）。微生物群落的演替是“塑料球”组成的另一个关键驱动因素，在水生环境中观察到时间上的趋同性（Deng等人，2025）。

虽然材料性质和环境参数对“塑料球”的调控作用已得到初步验证，但现有研究主要局限于水生和土壤生态系统。大气环境中强烈的紫外线（UV）辐射和快速的湿度波动会加速塑料老化并引发微生物应激反应（Ng等人，2017；Liu等人，2023）。与其他环境相比，这些独特条件可能导致大气“塑料球”中的群落组装和代谢功能呈现不同的模式，从而质疑从水生或陆地研究中得出的结论的适用性。大气微塑料是人类暴露的主要途径之一（Yadav等人，2022）。值得注意的是，吸入的大气微塑料可以直接沉积在下呼吸道（Baeza-Martínez等人，2022）；因此，与其相关的“塑料球”中病原体的富集可能显著增加呼吸道感染的风险（Vasse和Melgert，2024）。最近的研究表明，细菌普遍附着在室内灰尘中的微塑料上，这些微塑料甚至具有选择性富集抗生素抗性基因的能力（Peng等人，2021；Cui等人，2022）。最近的一项研究甚至发现大气微塑料与空气中的细菌群落的致病性之间存在显著正相关（Xu等人，2024）。

然而，关于大气“塑料球”的研究仍处于起步阶段，存在一些关键知识空白，包括：（1）过度依赖室内模拟，限制了其与真实大气“塑料球”形成的相关性；（2）缺乏塑料和天然基质之间的系统比较，阻碍了特定塑料特征的识别；（3）关于大气“塑料球”长期演变的数据稀缺，限制了对演替动态和功能变化驱动因素的了解；（4）关于塑料作为病原体载体的富集能力和大气传播的研究不足，导致相关公共卫生风险无法量化。因此，迫切需要针对大气“塑料球”进行有针对性的研究（Loiseau和Sorci，2022）。

为填补这些关键知识空白，本研究结合了为期两个月的户外原位培养实验和高通量测序技术，以研究大气环境中微塑料上的微生物定植情况。为了进行比较分析，我们系统地表征了塑料和非塑料基质上的细菌群落，具体目标如下：

(1)

比较塑料和非塑料基质上的细菌群落组成、多样性和推断的功能特征，识别特定于塑料的群落结构和功能特征；

(2)

描述整个长期定植实验过程中“塑料球”的演替动态，并确定其代谢变化的驱动因素；

(3)

检测特定于塑料基质的病原体，并评估其富集模式和潜在的健康风险。

实验材料选择

本研究使用的所有基质均为从在线供应商处购买的商用工业材料。选择了九种基质，并将其分为三类：天然基质、非塑料基质和塑料基质。这些类别之间的主要区别如下：天然基质由未经进一步处理的碎小麦秸秆组成（SW）；非塑料基质包括以纤维素（CL）、木质素（LN）和玻璃（GL）为原料的合成材料；

OTU组成

所有样本的稀释曲线都达到了稳定平台，表明测序深度足以捕获细菌群的多样性和丰富度（图S3）。三个样本组中共有984个OTU，仅占塑料样本中总OTU的25.16%（图S4A）。值得注意的是，塑料样本中独特OTU的比例（37.89%）显著高于天然样本（20.45%）和非塑料样本（20.89%），这表明

定植特征差异

塑料与其他材料之间的细菌定植模式存在明显差异，这受到材料内在性质和随时间变化的动态微环境共同影响的结果。在塑料样本中，特定的聚合物特性驱动了最初的定植动态，但随着“塑料球”的成熟，这种差异逐渐消失。PS是一种典型的无定形热塑性塑料，其分子链无序，到第二个月时细菌丰富度增加了23.84%

结论

本研究通过原位培养实验和高通量测序分析，描述了大气“塑料球”的关键特征，得出以下主要发现：

(1)

由不同聚合物组成的微塑料表现出由内在物理化学性质驱动的初始定植潜力；然而，在长期定植后，它们的细菌群落结构趋于一致，显示出高度的微生物多样性和组成相似性。

作者贡献声明

饶文鑫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，实验设计，数据分析。张龙江：指导监督。钱欣：撰写 – 审稿与编辑，指导监督，资金获取。陈梅：指导监督，资金获取，概念构思。范一凡：方法学研究，资金获取，概念构思

未引用参考文献

Cheng等人，2021；Huang等人，2022；Li等人，2023。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3204400）、生态环境部南京环境科学研究院的“碳达峰和碳中和”项目（ZX2023SZY059和ZX2023SZY081）、中国博士后科学基金会（2023M731593）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20231104）以及江苏省优秀博士后人才资助计划（2023ZB514和2025ZB787）的支持。