《Marine Pollution Bulletin》：Microplastics form a dispersal-limited artificial niche that selectively enriches potential plastic-degrading bacteria and pathogens in coastal aquaculture systems
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微塑料表面菌群结构受栖息地主导调控，季节次级影响，其与有机物菌群部分重叠但显著分化，并富集人类疾病相关及烃类降解功能，形成独立扩散受限人工生态位。
Xuri Dong|Yanru He|Changjun Li|Ruiming Wu|Li Chen
江苏海洋大学海洋生物资源与环境重点实验室，中国连云港222005
摘要
微塑料（MPs）作为一种新兴污染物，在水产养殖区广泛积累，但其微生物生态功能及相关风险机制仍知之甚少。在本研究中，我们从中国东南部的一个代表性水产养殖区收集了春季和秋季的水样、沉积物、有机物及微塑料样本。通过高通量16S rRNA测序、群落生态建模、功能预测和网络分析，系统研究了“塑料圈”细菌的多样性、组装机制和生态功能。结果表明，栖息地类型是影响细菌群落结构的主要因素，而季节则是调节不同环境中群落组成的次要因素。尽管微塑料与有机物共享某些核心微生物群，但其附着的细菌群落与水、沉积物和有机物上的细菌群落存在显著差异。中性模型分析显示，微塑料与有机物表面之间的迁移率极低（m = 0.011），表明微塑料形成了一个独立且扩散受限的人工生态位。共现网络分析进一步表明，微塑料表面主要由潜在的塑料降解细菌和条件致病菌类占据，而有机物群落则表现出腐生特性。功能预测显示，微塑料在人类疾病相关功能和烃类降解功能方面显著富集，并且这些功能在不同季节保持稳定。本研究揭示了海洋水产养殖区微塑料表面附着的细菌同时具有污染修复潜力和公共卫生风险特性，为评估微塑料及其附着微生物群的生态影响提供了新的见解，也为水产养殖管理策略提供了参考。
引言
微塑料（MPs）通常定义为直径小于5毫米的塑料颗粒（Ho等人，2024年）。海洋微塑料已成为全球关注的主要环境污染物（Avio等人，2017年），现已在海水中（Yang等人，2024年）、海洋沉积物中（Ramtahal等人，2025年）以及海洋生物体内（Yu等人，2024年）被广泛检测到。它们对生态系统健康的潜在威胁引起了国际社会的日益关注（Ghosh等人，2023年）。在海洋水产养殖系统中，塑料被广泛用于浮标、养殖笼具、绳索和包装材料。由于废物管理不善，大量废弃的水产养殖相关塑料在近岸养殖区破碎并降解为微塑料。因此，微塑料已成为当代沿海生态系统中最主要的来自人类活动的颗粒物成分之一。微塑料及其表面定殖的微生物群落统称为“塑料圈”（Zettler等人，2013年；Zhai等人，2023年）。塑料圈表明，微塑料不仅作为化学污染物存在，还构成了动态且复杂的微生境。栖息在塑料圈中的微生物群落与周围海水或天然颗粒物（如有机物）上的微生物群落有显著差异，这表明微塑料作为人工表面，会选择性地富集某些特定微生物类群（Dong等人，2026年）。越来越多的研究报道了微塑料上存在潜在致病菌，包括弧菌属（Vibrio）和气单胞菌属（Aeromonas）的成员（Kirstein等人，2016年；Wang等人，2024b年）。此外，微塑料还被证明可以携带具有潜在塑料降解能力的微生物（Dong等人，2023年）。
水产养殖环境通常具有较高的营养负荷、丰富的有机颗粒物和有限的水体交换，这些条件促进了微生物在微塑料表面的附着和生长（Verdegem，2013年）。现有关于微塑料附着微生物群的研究主要集中在河流和沿海海洋系统（Marsay等人，2023年；Niu等人，2023年），而针对水产养殖区微塑料附着细菌的季节变化和生态功能的研究仍然较少。在海洋生态系统中，除了微塑料等人造颗粒物外，还存在多种天然有机颗粒物，包括落叶等植物残骸和其他碎屑物质。这些颗粒物也是细菌附着和定殖的重要基质（Qian等人，2022年）。这些微生物共同参与有机物的分解、养分再生和碳循环。尽管天然颗粒物和微塑料可能携带部分重叠的微生物群落（Di Cesare等人，2024年），但由于物理化学性质和基质可用性的差异，它们通常支持不同的微生物群落。此外，水产养殖环境的季节性变化（如温度和营养浓度的变化）会深刻影响微塑料附着微生物群落的结构和组成（Marmen等人，2021年）。
了解微塑料表面微生物群落的组装机制对于微塑料研究至关重要。这些群落的形成和演替受到生态位筛选、历史效应、扩散限制和随机过程的共同影响。在水产养殖环境中，一些关键问题尚未解决，包括微塑料与天然有机颗粒物之间的扩散是否受限，它们是否共享稳定的核心群落，以及这些细菌群落在不同季节的稳定性如何。为了解决这些问题，本研究聚焦于中国东南部沿海地区的一个典型水产养殖区。我们在春季和秋季系统地收集了水样、沉积物、天然有机颗粒物和微塑料样本。我们结合了16S rRNA基因的高通量测序和多种生态模型及功能预测方法，探讨了以下问题：（1）微塑料表面微生物群落的结构和多样性及其与自然栖息地（包括水、有机物和沉积物）的差异；（2）栖息地类型和季节变化对微塑料附着微生物群落的影响；（3）塑料圈是否选择性地富集特定关键功能微生物，如人类病原体和烃类降解细菌；（4）微塑料表面微生物群落在多大程度上受到扩散的限制。通过系统揭示水产养殖区微塑料附着微生物群的生态特征和潜在风险，本研究为支持沿海水产养殖管理、微塑料的生态风险评估和海洋生态系统保护提供了重要的科学依据。
材料与方法
2021年4月（春季）收集了水样、微塑料和有机物（木材）样本，2021年10月（秋季）再次收集了水样、微塑料、沉积物和有机物样本。采样地点位于中国东南沿海的六个水产养殖区，包括宁波的两个地点（NB-1和NB-2）、台州的两个地点（TZ-1和TZ-2）以及温州的两个地点（WZ-1和WZ-2）。所有采样站的地理坐标见图1和补充表S1。
微塑料样本收集：
微生物群落的多样性、结构和核心驱动因素
成功提取并测序了来自春季和秋季的125个细菌DNA样本。使用Shannon-Wiener曲线进行的稀释分析（补充图1）显示，随着测序深度的增加，所有曲线均趋近饱和，表明后续的微生物分析具有足够的覆盖度。Chao1丰富度指数显示不同基质和季节之间存在显著差异。总体而言，春季的细菌丰富度低于秋季（补充图
塑料圈微生物群落的季节动态和基质特异性选择
本研究观察到的季节动态有助于理解塑料圈的长期演替过程。从春季到秋季，α多样性（表现为Chao1指数的增加）和群落组装过程（中性过程的贡献增强）均表现出明显的季节性变化。季节性变化被广泛认为是影响微生物群落结构的关键因素（Tav?ano?lu等人，2025年）。微塑料表面也表现出类似的季节性模式
结论
基于两个季节和多基质的细菌调查，本研究阐明了微塑料作为人工颗粒生态位在典型水产养殖区中的结构作用和生态风险。结果表明，栖息地类型是影响不同季节细菌多样性和群落结构的主要因素，而季节则是调节各种环境中细菌群落组成的次要因素。尽管微塑料表面与
CRediT作者贡献声明
Xuri Dong：撰写——初稿撰写、监督、资源提供、方法论设计、资金获取、数据管理。Yanru He：撰写——审稿与编辑、数据管理。Changjun Li：撰写——审稿与编辑。Ruiming Wu：撰写——审稿与编辑。Li Chen：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明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。我们还要感谢编辑和匿名审稿人对手稿提出的有益意见。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（42506118）和江苏海洋大学启动基金（KQ24077）的资助。
