微塑料和多环芳烃对海洋沉积物中微生物群落的影响：以渤海为例

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Impact of microplastics and polycyclic aromatic hydrocarbons on microbial community in marine sediments: A case study of the Bohai Sea

　　郭金飞|冯明峰|孟俊通|刘新宇|关欣|宋海良|戴佳|谢志成
海洋资源化学与食品技术重点实验室（天津科技大学），教育部，海洋与环境科学学院，中国天津市

摘要
微塑料（MPs）和多环芳烃（PAHs）是普遍存在的海洋污染物。虽然微塑料能够吸附PAHs并改变其行为，但它们对沉积物微生物的综合影响仍不清楚。本研究采用微生态系统实验方法，探讨了微塑料（以聚苯乙烯为代表，Ps）和PAHs（以菲为代表，Phe）及其共同暴露（CoPhe）对海洋沉积物中微生物群落组成、生物多样性、组装过程以及基于RMT的网络的影响。结果表明，单独添加Ps或Phe并未显著改变微生物的多样性、组成或组装模式。相反，共同暴露显著降低了微生物多样性，改变了群落组成，并显著影响了关键功能类群，包括降解PAHs的细菌（Porticoccus、Sulfurovum、Desulfobulbus和Clostridia）和氮代谢细菌（Alphaproteobacteria和Desulfobacteria）。共现网络分析显示，Ps处理具有最多的节点和边，反映了更高的群落复杂性，而Phe和CoPhe处理之间没有显著差异。此外，CoPhe网络中的正相关比例（66.14%）低于Ps（85.14%）和Phe（79.67%），表明Ps和Phe的联合毒性可能破坏了微生物的协同代谢和功能互补性，从而可能在改变的生态位和资源条件下增加竞争或拮抗作用。组装机制分析表明，随机过程主要支配着微生物类群的组装，在共同暴露下扩散限制加剧。本研究探讨了微塑料和PAHs对微生物群落的综合影响，超越了传统的单一污染物研究，填补了高盐度、低水动力海洋沉积环境中微生物组成、共现网络和组装机制的研究空白。

引言
微塑料（MPs）是具有多种形状、颜色和性质的塑料碎片的统称，通常定义为最大直径为5毫米的颗粒（Di Mauro等，2017）。据报道，海洋中微塑料含量丰富，是这些污染物的主要储存库，其中陆地来源约占海洋微塑料污染总量的80%（Nunes等，2023）。海上活动，如航运和水产养殖，占海洋微塑料输入总量的约20%（Zhou等，2021）。此外，漂浮在海面的微塑料可能由于各种因素（如生物污损）失去浮力，进而被输送到更深的水层并最终沉积在沉积物中（Dai等，2018）。研究表明，渤海沉积物中的微塑料含量很高，每千克干重含有167至212个微塑料颗粒（Zhang等，2022a）。由于其微小的体积和较大的表面积与体积比，微塑料可以吸附或渗出有毒物质，如持久性有机污染物（POPs）和金属离子（Zhang等，2022a）。因此，微塑料成为将化学污染物带入海洋生态系统的载体。
多环芳烃（PAHs）是一类由两个或多个苯环融合而成的有机化合物（Wcis?o，1998）。PAHs通过多种途径进入海洋生态系统，主要是石油泄漏、工业排放、城市径流和大气沉降（Ali等，2022；Sheriff等，2023；Dai等，2022）。因此，海洋沉积物已成为PAHs的主要储存库（Buell等，2021；Shi等，2022；Tepe等，2022）。研究显示，渤海沉积物中的总PAHs浓度范围为7.4至143.9 ng g-1，其中菲（Phe）、芘（Pyr）和荧蒽（Flu）是最丰富的化合物（Cao等，2024）。由于其高疏水性和环境持久性，PAHs容易在海洋环境中积累，并可通过食物网传递，对海洋生物和人类健康构成重大威胁（Ali等，2024c）。此外，它们可以改变物种组成、降低生物多样性并破坏生态过程（Dai等，2022；Ali等，2023；Ali等，2024a，b）。
先前的研究广泛探讨了各种污染物（如微塑料或PAHs）对不同陆地和淡水环境中的微生物群落的影响，包括湖泊（Tao等，2024）、湿地（Qi等，2024）、河岸带（He等，2025）、潮间带（Jing等，2025）和农业土壤（Shang等，2022）。我们之前的工作表明，纳米塑料和PAHs会对海水细菌群落产生协同毒性作用，破坏群落多样性、网络复杂性和关键降解PAHs的类群（Guan等，2024）。然而，纳米塑料和微塑料在物理化学性质、环境行为和生物相互作用方面存在显著差异，而海水和海洋沉积物代表了具有不同微生物群落组装控制因素的根本不同的栖息地。重要的是，海洋沉积物在控制微生物生态学和污染物命运的关键环境参数方面与其他基质有显著差异。其中最重要的是其持续的高盐度，这影响了微生物的渗透调节和代谢策略（Brauer等，2023），以及由氧气扩散受限驱动的独特氧化还原分层，这决定了特定生态位的微生物组合（Yue等，2023）。此外，持续的潮汐动态和波浪作用可以改变PAHs在微塑料上的吸附及其与本土微生物群的相互作用（Zhao等，2025；Seeley等，2020）。重要的是，海洋微生物在全球生物地球化学循环和海洋食物网中发挥着关键作用（Trevathan-Tackett等，2019；Faure等，2021）。由于海洋微生物对环境变化具有独特和敏感的反应，特别是在原核生物中，它们被广泛用作评估海洋生态系统健康的生物指示剂（Caruso等，2016）。Zhang和Liu（2023b）对沿海沉积物的研究显示，微塑料污染影响了微生物多样性并改变了群落组成。同时，不同类型聚合物对微生物结构的影响也有记录，如聚乳酸（PLA）增加了多样性，而聚乙烯（PE）则降低了多样性（Seeley等，2020）。虽然某些微生物可以利用PAHs作为碳源（Cerniglia和Heitkamp，2024），但PAHs通常会抑制敏感类群，引起显著的群落变化（Sachaniya等，2019）。最近，人们开始关注这些污染物的联合影响。例如，Ding等（2023）发现，在受PAH污染的含水层中引入PE改变了微生物结构并富集了难降解细菌。此外，Sun等（2022）表明，微塑料的吸附降低了卤代PAHs的生物可利用性，显著延长了其降解半衰期。然而，尽管这些研究强调了组成变化和降解速率，但目前尚缺乏关于共污染物如何破坏复杂的微生物生态相互作用（共现网络）以及改变控制群落组装的基本过程（随机过程与确定性过程）的深入机制理解。因此，亟需将研究扩展到海洋沉积物，这是一个关键但尚未充分探索的环境储存库。本研究通过超越简单的多样性指标，系统地阐明共存微塑料和PAHs对本土微生物群落的拓扑网络结构和组装机制的影响，从而填补这些知识空白。

为了解决这些知识空白，我们建立了一个由下层沉积物和上层水柱组成的微宇宙系统，以研究聚苯乙烯微塑料和模型PAHs菲对本土微生物群的单独和联合影响。具体目标包括：（i）检查微塑料和PAHs单独和共同作用下的沉积物环境因素的变化；（ii）通过16S rRNA基因扩增子测序分析微生物群落的多样性和结构；（iii）构建和评估微生物共现网络以评估生态相互作用；（iv）阐明不同污染物处理下沉积物中微生物群落组装的机制。本研究为受污染物影响的海洋生态系统的保护和恢复提供了关键见解。

数据来源
渤海中微塑料的分布已有详细记录（Zhang等，2022a）。与其他中国海域相比，渤海是一个半封闭的盆地，具有相对较弱的水动力条件和较高的沉积物积累率，这促进了污染物在沉积物中的滞留和积累（Zhou等，2025）。作为典型的半封闭海域，渤海可以代表类似边缘海域的一般环境特征。

环境参数和PHE的降解速率
整个培养期间上层水中营养物质浓度的时间动态如图1所示。所有处理组中的NH4+–N浓度最初增加，随后在整个培养期间下降。CK和Phe处理组在第七天的浓度分别为0.382和0.209 mg L-1。此时，CK处理组的NH4+–N浓度显著高于Phe和CoPhe处理组。

沉积物中微生物群落的组成和多样性
在整个56天的培养期间，单独暴露于Ps或Phe的沉积物中微生物α多样性没有显著变化。先前的研究表明，高浓度的Ps（5%或10% w/w）和PAHs（例如10 μg·g-1）会显著降低α多样性，而低浓度的Ps（2% w/w）和PAHs（0.3 μg·g-1）则不会显著改变它（Li等，2022；Lin等，2023）。总体而言，这些发现表明，沉积物微生物丰富度的响应