英文题目：Plastisphere provides a unique ecological niche for microorganisms in Zostera marina seagrass meadows

中文题目：鳗草海草床中“塑料际”为微生物提供独特生态位

发表期刊：Communications Earth & Environment

影响因子：8.9（一区Top）

发表时间：2025 年8月6日

本研究内容概要图

1.绝对定量揭示核心优势类群：通过昊为泰宏基因组绝对定量测序，精确测得PET上蓝藻（Cyanobacteria）绝对丰度显著高于沉积物，明确其在碳氮循环中的核心角色。

2.原位多维度比较：首次在自然海草床原位系统比较三类微塑料与自然基质的微生物群落差异，涵盖多样性、稳定性、功能基因及抗性基因等多指标。

3.功能基因路径差异显著：PET上碳固定与同化硝酸盐还原基因高表达，PP与PE上反硝化相关基因更活跃，表明塑料际微生物在碳氮循环途径上分化明显。

4.生态健康风险提示：塑料际显著富集抗生素抗性基因（ARGs）与重金属抗性基因（MRGs），部分与潜在致病菌相关，可能通过食物链影响海洋生物及人类健康。

本研究在中国山东省荣成市的天鹅湖海草床（以鳗草Zostera marina为优势种）开展。为了评估不同类型微塑料对海草床微生物群落的影响，研究者选择了三种常见聚合物：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。将三种微塑料分别装入网袋，并在海草床区域的水下固定于相同深度处进行原位暴露30天。为比较微塑料与自然基质的差异，同时采集了暴露区相邻沉积物（0–5 cm）和水体样品。

研究对暴露前后的样本进行了微塑料表面理化性质分析，并利用昊为泰生物AccuMetaG^®宏基因组绝对定量测序专利技术，对微塑料生物膜、沉积物和水样进行微生物群落多样性与网络分析和功能基因差异分析。

微塑料的理化特性及生物膜积累

为了研究不同聚合物类型对海草床微生物群落的影响，研究者在鳗草（Zostera marina）生境中原位暴露了三种常见的微塑料类型，即PET、PP和PE（图1a–d）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，暴露前三种微塑料的表面结构各不相同：PET 呈栅格状结构，PP 表面较为粗糙，而 PE 呈现扭绞的绳状形态（图 1c1–c3）。这些结构特征可能会影响微生物附着与生物膜形成。暴露 30 天后，三种微塑料表面均形成了明显的生物膜（图1d1–d3），其中 PET表面的生物膜覆盖程度高，PP次之，PE低。傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测发现，暴露后的PE和PP样品中出现了新的氧化降解相关特征峰，表明微塑料在自然环境中可能发生了光氧化和生物降解（图 1f1–f3）。定量分析结果（OD 值）显示，PET生物膜含量约为 PP 的3倍、PE的6倍（图1g）。这些理化性质变化为后续微生物群落的附着和演替奠定了物质基础。

图1. 塑料处理流程及原位暴露前后材料性质和生物膜累积变化。a1–a3）PET 口罩、PP 膜、PE 绳；b1–b3）修剪处理；c1–c3）暴露前 SEM 图像；d1–d3）暴露后；e1–e3）暴露后 SEM 图像；f1–f3）暴露前后 FTIR 光谱；g）生物膜含量（OD 值）。

微塑料、沉积物和水体的细菌多样性与稳定性比较

宏基因组测序结果表明，沉积物和微塑料样品中的细菌丰度均超过95.87%，显著高于水体样品（88.88%–91.28%）（图2a）。α多样性分析显示，Chao1 指数、Shannon 指数和 Simpson 指数在不同样品间存在显著差异（图2b–2d），其中水体样品的多样性显著高于 PET 样品，而PP和PE与沉积物样品较为接近（图2e）。PCoA结果表明，PET样品在群落结构上明显独立于其他类型样品（图2f）。

稳定性分析结果（图2g–2j）显示，PET样品的平均变异系数（AVD）较高，表明其群落结构在外界干扰下更易波动（图2g）。脆弱性分析（图2h）结果表明，PET 样品的脆弱性指数显著高于其他类型样品，说明关键物种的丧失可能导致网络结构快速崩溃。相关网络（图2i）和加权稳健性（图2j）分析进一步证实，尽管PET上形成了独特的微生物群落，但该群落在结构上相对脆弱，抵御环境干扰的能力较弱。

图2. 基于ASV水平的细菌群落多样性与稳定性差异。a–f）多样性分析；g–j）稳定性分析。a）不同物种 Venn 图；b–e）α 多样性（Chao1、Shannon、Simpson、物种排序曲线）；f）β 多样性（基于 Bray–Curtis 距离的 PCoA）；g）平均变异度（AVD）；h）脆弱性；i1–i5）相关网络；j1–j5）稳健性。

群落组成与指示类群的差异

门水平分析显示（图3a），沉积物、PP和PE样品均以假单胞菌门为主，其次是蓝藻门和厚壁菌门；而 PET 样品则以蓝藻门为优势类群，假单胞菌门次之。在目水平（图3b），沉积物和 PE 样品的主要类群为鞘脂单胞菌目（Sphingomonadales）和假单胞菌目（Pseudomonadales），而 PET 样品中 Leptolyngbyales 占据优势地位。属水平分析（图3c）显示，沉积物样品优势属为Pseudomonas与Shewanella，PET 样品中则以Leptolyngbya占主导。

ANOVA分析（图3d）确认了这些差异的统计显著性。特异性占据度分析（图3e）表明，PET样品中特异富集了多种与碳固定和固氮相关的蓝藻属，包括 Leptolyngbya和Phormidium等。这些蓝藻具有光合作用能力，并可能在氮同化过程中发挥重要作用，但其富集也可能伴随重金属吸附和藻毒素释放等潜在风险。

图3. 不同样品间细菌群落组成差异。a–c）不同分类水平相对丰度；a）门水平，b）目水平，c）属水平；d）门水平 ANOVA 分析；e）属水平特异性–占据度分析（蓝色为特异属，与碳氮固定相关的特异属以其他颜色标记，详细信息见图 S5）。

图S5展示了不同样本中与碳氮循环相关的属的相对丰度和绝对丰度都存在显著差异。通过分析这些属的丰度，可以了解不同样本在碳氮循环过程中的潜在贡献。从图中可以看出，不同样本中这些属的相对和绝对丰度存在差异，这可能与样本的微生物群落组成和功能基因分布有关。

图S5. 不同样品中碳和氮循环相关属的丰度。a) 相对丰富；b) 绝对丰度。

碳氮循环功能基因的分布差异

功能基因注释结果显示，PET样品中碳固定相关基因和光合作用基因丰度显著高于沉积物、PP和PE（图 4a、4b、4e、4f）。氮循环方面，PET样品中同化型硝酸盐还原基因占优，而PP和PE样品中反硝化相关基因丰度更高（图 4c、4d、4g、4h）。

图4. 碳氮循环途径基因分析。a）碳循环基因的ANOVA分析；b）碳循环基因的 PCoA 分析；c）氮循环基因的ANOVA分析；d）氮循环基因的PCoA分析；e）碳循环途径；f）碳循环途径基因的相对丰度；g）氮循环途径；h）氮循环途径基因的相对丰度。

不同样本中细菌在目水平上的绝对丰度存在显著差异（图S7）。例如，某些目在沉积物样本中具有较高的绝对丰度，而在水或PET样本中相对较低。这可能与沉积物的物理化学性质有关，这些条件有利于某些细菌目的生长和繁殖（图S7a）。目水平细菌相关性网络分析，可以揭示微生物之间的协同作用和潜在的生态关系（图S7b）。不同样本中细菌在属水平上的绝对丰度也存在显著差异（图S7c）。属水平上细菌的相关性网络同样发现，一些菌属间可能存在相关关系，表明它们可能共同发挥作用（图S7d）。

图S7. 所有样品中细菌在目和属水平上的绝对丰度和相关网络。

抗性基因的分布与潜在风险

抗生素抗性基因（ARGs）、重金属抗性基因（MRGs）和生物杀灭剂抗性基因（BRGs）的分布存在显著差异（图5a–5f）。MRGs在所有微塑料样品中均高于沉积物，其中PET样品的Ni、Zn和Ag抗性基因尤为突出。这些结果提示，微塑料表面不仅可能成为碳氮循环微生物的栖息地，也可能成为抗性基因和潜在致病菌的富集平台，对生态系统稳定性和海洋生物健康构成威胁。

图5. 不同样品间ARG、MRG和BRG的分析。a–c）ARG；a）相对丰度；b）ANOVA 分析；b1、b2重要基因贡献分析（b1）Zoliflodacin 类抗生素，b2）Fusidane 抗生素）；c）PCoA 分析。d–f）MRG和BRG；d）相对丰度；e）ANOVA分析；e1、e2 重要基因贡献分析（e1 Zn，e2 Ag）；f）PCoA 分析。

图S9展示了不同样本中与碳氮循环和抗性基因相关的基因的绝对丰度存在显著差异。在PET样本中，某些与氮固定相关的基因（如nirD和nirA）具有较高的绝对丰度，表明PET表面的微生物群落可能在氮固定过程中具有较高的活性。

图S9. 样品中碳氮循环相关基因和抗性基因的绝对丰度和差异。a、c、e、g)不同样本中与碳氮循环、ARGs、MRGs和BRGs相关的基因绝对丰度的ANOVA分析；b、d、f、h)不同样品中绝对丰度高的前15个基因的Circos图。

驱动因子分析

偏小二乘路径建模（PLS-PM）分析表明，微生物群落结构差异是碳氮循环基因与抗性基因分布差异的主要驱动因子（图6）。多样性和稳定性较高的群落往往碳氮循环活性较强，而抗性基因的富集往往伴随群落稳定性下降。

结合生态过程分析，研究者推测，微塑料尤其是PET可能通过改变附着微生物的群落结构与功能，削弱海草床与固氮菌之间的互利关系，降低初级生产力，并通过传播ARGs和MRGs增加生态与健康风险。长期累积效应可能导致海草床碳汇功能下降，并促进温室气体排放。

图6. 碳氮循环相关基因与抗性基因分布的驱动因子分析。a）碳氮循环相关基因；b） 潜变量之间的影响关系；c ）ARG、MRG 和 BRG；d）潜变量之间的影响关系。红色表示正相关，绿色表示负相关。

本研究通过原位实验系统评估了三种常见微塑料（PET、PP、PE）与沉积物（Sed）和水体（Wav）在海草床生态系统中的微生物群落特征、功能基因组成及稳定性差异。结果表明，微塑料表面形成了与自然基质截然不同的微生物群落结构，其中 PET 样品表现出显著的蓝藻富集，并在碳固定和同化型硝酸盐还原功能方面具有更高的潜力；而 PP与PE则与反硝化功能基因的关联更为密切。然而，PET 样品的微生物群落在稳定性上相对脆弱，更容易受到外界干扰。此外，微塑料尤其是 PET 表面富集了较高丰度的抗生素抗性基因和重金属抗性基因，且部分与潜在致病菌相关，提示其可能成为抗性基因和病原体的重要储存库与传播载体。

在本研究中，绝对定量技术展现了显著的技术优势。它能够精确测量微生物群落中各分类单元和功能基因的丰度，为评估微塑料对海草床生态系统的影响提供了准确的数据支持。这种技术不仅能够明确微塑料表面微生物群落中与碳氮循环相关的功能基因的丰度，从而更准确地评估微塑料对生态系统功能的潜在影响，还能检测到微塑料表面抗生素抗性基因和重金属抗性基因的绝对丰度，有助于评估微塑料作为抗性基因和病原体传播载体的潜在风险。

以上发现表明，微塑料在海草床生态系统中不仅影响碳氮循环过程，还可能带来生态与健康风险。长期来看，微塑料污染可能通过改变海草床微生物群落结构与功能，削弱海草床碳汇能力，并增加温室气体排放风险。本研究为理解“塑料际”在蓝碳生态系统中的生态作用及风险提供了科学依据，也为未来海洋微塑料污染管理和生态修复提供了参考。昊为泰宏基因组绝对定量测序技术为全面了解微塑料与自然基质在微生物群落结构和功能上的差异提供了有力工具，为制定针对性的污染管理策略提供了科学依据。

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