《Journal of Environmental Sciences》：Differential biogeochemical cycling by plastisphere microorganisms in Pearl River estuary
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王泽鑫|孙晓旭|林志远|黄端毅|曹玉波|黄颖|王一泽|穆罕默德·阿里·埃尔巴德里·哈菲兹·阿明|张海涵|孙伟民
西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安 710055
摘要
由于塑料本身的顽固性，塑料污染已成为日益严重的环境问题。虽然沉积物是水环境中塑料污染物的主要储存库
王泽鑫|孙晓旭|林志远|黄端毅|曹玉波|黄颖|王一泽|穆罕默德·阿里·埃尔巴德里·哈菲兹·阿明|张海涵|孙伟民
西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安 710055
摘要
由于塑料本身的顽固性，塑料污染已成为日益严重的环境问题。虽然沉积物是水环境中塑料污染物的主要储存库，但从浮游状态转变为沉降状态后，塑料圈微生物群及其功能的生态后果仍很大程度上未知。宏基因组分析显示，无论是浮游还是沉降状态的塑料上，其微生物群落的多样性都较低，且与周围水体和沉积物中的微生物群在组成上存在显著差异，其中假单胞菌门和放线菌门持续富集。这些微生物群落的碳、氮、硫和铁代谢能力也发生了明显变化。与周围水体相比，水中的塑料圈微生物群在中心碳代谢、化能自养和厌氧呼吸相关基因上显著富集，表明其主要营养物质的氧化还原循环可能得到增强。而沉降状态的塑料圈微生物群则以硝酸盐、硫酸盐和铁的还原为主，表明它们可能在沉积物中形成厌氧微生境。这些发现表明，塑料圈不仅仅是一个被动的污染物界面，而是一个具有代谢活力和生物地球化学活性的微生境，这对生态系统功能和温室气体排放具有潜在影响。
引言
塑料在现代社会中无处不在，广泛应用于食品包装、医疗设备、基础设施和电子产品等领域（Cabernard等人，2022）。它们的耐用性、多功能性和低成本推动了其广泛使用，但也导致了持续的环境污染（Chen等人，2024），尤其是在人口密集的城市河流及其下游生态系统（如河口和沿海地区）（Bao等人，2025b）。在这些水系统中传输过程中，塑料会发生生物污染，微生物和藻类的附着会增加颗粒密度，促进其沉降到底栖带（Qiang等人，2021）。因此，水生沉积物已成为塑料污染物的主要储存库，这些污染物在城市河床、红树林和深海沉积物中积累，对污染环境中的营养物质循环和生物多样性造成长期影响（Martin等人，2020）。
塑料表面的微生物定殖形成了塑料圈，这是一个独特的生态位，其中栖息着与周围水体和沉积物中不同的微生物群落（Su等人，2022；Sun等人，2022）。这些微生物群形成了密集的生物膜，富含假单胞菌门、放线菌门和拟杆菌门的成员，它们具有专化的代谢能力，包括有机物降解和胞外聚合物物质的产生（Kong等人，2025；Liu等人，2023；Tan等人，2025）。塑料圈微生物组的独特群落组成和代谢能力可能显著改变生物代谢过程，并干扰营养物质循环（Huang和Xia，2024；Su等人，2024），可能影响整个水柱和沉积物中的水质、温室气体排放和生态系统服务（Song等人，2023；Yu等人，2022）。
包括碳、氮、硫和铁（以下简称C/N/S/Fe）在内的主要营养物质的微生物介导的生物地球化学循环是水生生态系统功能的基础（Ayala-Mu?oz等人，2022；Esser等人，2011）。这些元素尤为重要，因为它们参与微生物的能量代谢，既作为电子供体（例如还原态的硫和铁），也作为电子受体（例如硝酸盐、硫酸盐和三价铁）（Amenabar等人，2018；Lovley和Phillips，1988），从而驱动生态系统动态中的氧化还原耦合营养物质转化（Burgin等人，2011）。此外，这种产能量的氧化还原反应在塑料圈中尤为重要（Messer等人，2024；Rüthi等人，2023），在这种环境中，营养稀缺和环境压力要求微生物具有多样的代谢能力以实现生物膜的建立、持续存在和竞争（Miao等人，2020；Xu等人，2024）。这种双重氧化还原功能体现在不同的生物地球化学作用中：碳循环驱动有机物周转和甲烷生成，氮循环介导硝化和反硝化，而硫和铁的循环调节对微生物能量保存至关重要的氧化还原反应（Chen等人，2025；Shi等人，2020）。在塑料圈中，这种氧化还原灵活性不仅维持了生物地球化学过程，还表示了一种核心的生存策略（Dodhia等人，2023），使微生物能够在氧气、光照和底物条件变化的情况下利用塑料表面作为能量和营养热点（Seto和Kondoh，2023）。随着塑料在水柱中下沉，其相关的微生物群落会因环境条件的变化（如氧气可用性下降、光照减少和营养物质梯度改变）而发生组成和功能上的变化，从而改变C/N/S/Fe循环的代谢能力（Huang等人，2025；Yang等人，2024）。例如，暴露于有氧条件下的水中的塑料圈可能增强硝化和硫氧化（Shi等人，2024a），而沉降在厌氧环境中的塑料圈可能依赖硝酸盐、硫酸盐和三价铁等替代电子受体来支持反硝化、硫酸盐还原和铁还原（Lin等人，2026；Sun等人，2025；Yin等人，2023）。尽管塑料圈微生物群在介导C/N/S/Fe生物地球化学循环中起着关键作用，但其代谢潜力仍不完全清楚，这限制了我们对其对元素循环、污染物转化和塑料污染水生生态系统恢复力的影响进行评估的能力。
为解决这一关键知识空白，本研究旨在阐明珠江口（世界塑料污染最严重的河流之一）中浮游塑料与沉降塑料中塑料圈微生物群对C/N/S/Fe循环的不同影响（Ma等人，2020）。本研究旨在阐明浮游塑料与沉降塑料中塑料圈微生物群的功能和代谢差异，特别关注介导C/N/S/Fe循环的关键微生物种群和基因。本研究旨在提供新的见解，了解塑料圈微生物组中C/N/S/Fe介导的能量代谢不仅如何塑造元素循环，还如何支持微生物在塑料表面的适应性和恢复力，为缓解城市水生系统中的生态破坏提供干预措施。
章节摘录
样本收集
样本采集自珠江口的三个不同地点（中国），这是世界上塑料污染最严重的地区之一（Lebreton等人，2017）：海口岛（HOD）、qi’ao岛（QAD）和南沙湿地公园（NSSD）。在每个地点，收集了浮游塑料和河口水样。沉降塑料则是在低潮时从潮间带捡取半埋藏的塑料碎片，并从每个地点采集了两个周围的沉积物样本（南沙除外）
微生物群落多样性和组成
基于观察到的物种数量计算的α多样性，在WP中显著较低（p = 0.01），而在SP中则更低（p = 0.002和0.04，分别）。基于Bray-Curtis距离的Constrained-PCoA（CPCoA）图表明，样本组之间的差异解释了微生物β多样性的很大一部分变化
讨论
塑料污染是一个重大的环境威胁。由于塑料本身的顽固性，它们可以在自然环境中长期存在（MacLeod等人，2021）。尽管塑料被认为在环境中的碳汇中起作用，但它们的疏水表面也为塑料圈微生物提供了独特的生态位，这些微生物往往与其周围环境不同（Bos等人，2023）。因此，由塑料圈介导的地球化学过程
结论
当前研究的发现表明，塑料圈不仅仅是一个被动的污染物表面，而是一个具有代谢活力的微生态系统，其氧化还原异质性和生物膜驱动的分层促进了C/N/S/Fe循环的增强代谢潜力（Lv等人，2024；Miao等人，2020）。水中的塑料圈显著的代谢潜力凸显了它们在调节水生环境中营养物质循环和元素循环方面的生态重要性（Su等人，2022）
CRediT作者贡献声明
王泽鑫：撰写——初稿、调查、正式分析、数据管理、概念化。孙晓旭：可视化、调查。林志远：调查、数据管理。黄端毅：调查。曹玉波：调查。黄颖：调查。王一泽：调查。穆罕默德·阿里·埃尔巴德里·哈菲兹·阿明：调查。张海涵：撰写——审阅与编辑、资源获取、调查。孙伟民：撰写——审阅与编辑、调查、资金争取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42277247）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2023B1515040007）、广州市科技发展计划（项目编号2022GDASZH-2022010106）和广东省科技创新计划（项目编号2023B1212060044）的支持。
