“塑料际”扩展了环境中硝化过程的生态位

文摘 2025-01-06 07:30 上海

来源：中国科学院城市环境研究所

图1. 论文首页

生物膜是自然界微生物的一种重要生存模式，它们通过分泌粘附物质（如胞外聚合物-EPS等）将自身细胞固定在各种表面上，包括岩石、木材、植物、动物和人工表面（如塑料和玻璃等），形成复杂的多细胞结构。在生物膜中发现的生命体包含了整个微生物界，包括细菌、真菌、古细菌、原生动物和病毒等。生物膜在陆地和水生环境中具有重要的生态功能，在元素地球化学循环中扮演着关键角色，可以加速地球生态系统的生物地球化学通量。

塑料污染是当今全球环境面临的重大挑战之一，每年数百万吨塑料废物进入海洋，对海洋生态系统和生物多样性构成严重威胁。除了自然生物膜（natural biofilms，如岩石碎片和漂浮木块上的生物膜）外，在海洋中还出现了一种新兴的“人造”生物膜（artificial biofilms），即塑料际（plastisphere）），近年来引起广泛关注。塑料际内的微生物量在全球海洋环境中相当可观，与自然生物膜内的微生物量相媲美。因此，人们开始思考一个尚未回答的问题——塑料际是否与自然生物膜具有相似的生物地球化学特征，还是存在截然不同的特征？海洋塑料际的生物地球化学影响以及漂浮塑料垃圾对生态系统的影响值得更多关注。

针对这一科学问题，中国科学院城市环境研究所和生态环境研究中心的朱永官院士团队在厦门、烟台和广西等河口流域模拟了塑料、岩石、落木和玻璃表面自然微生物的富集过程，并通过试验研究对比了天然介质表面（如岩石和落木）和人工介质表面（如塑料和玻璃）的氮素生物地球化学特征。此外，该团队还揭示了附着生长的微生物（sessile mode）与游离生长的微生物（free-living mode）之间的代谢差异。相关研究成果以Nitrifying niche in estuaries is expanded by the plastisphere为题发表在《自然》子刊Nature Communications上。朱永官院士为唯一通讯作者，苏晓轩教授、黄鑫榕博士、张怡悦助理研究员为论文共同第一作者，中国科学院城市环境研究所为第一单位。

研究人员发现，在河口生态系统中，塑料际可能是一个被低估的硝化作用的生态位，揭示塑料际上细菌介导的硝化活性高于其他生物膜（如石头、木头和玻璃生物膜）和周围水体0.9~12倍的。活跃的硝化微生物的生态位分化以及潜在的底物交换合作模式可能是提升塑料际硝化潜势的原因。该项研究工作得到国家自然科学基金委员会创新群体项目（No. 42021005），国家重点研发专项课题（No. 2022YFD1901402）以及宁波顶尖人才计划（No. 2021-DST-004）等项目的资助。

该研究团队近五年来围绕塑料和塑料际的微生物过程开展了系统的研究，分别在ISME Journal, Nature Water, Nature Communications和Nature Reviews Microbiology发表了一系列论文。

图2. 塑料际（固着模式）和水体（浮游模式）中微生物硝化过程的示意图。河口塑料际具有与周围海水不同的活跃硝化微生物。

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