《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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微塑料表面菌群結構受棲息地主導調控，季節次級影響，其與有機物菌群部分重疊但顯著分化，并富集人類疾病相關及烴類降解功能，形成獨立擴散受限人工生態位。
Xuri Dong|Yanru He|Changjun Li|Ruiming Wu|Li Chen
江蘇海洋大學海洋生物資源與環境重點實驗室，中國連云港222005
摘要
微塑料（MPs）作為一種新興污染物，在水產養殖區廣泛積累，但其微生物生態功能及相關風險機制仍知之甚少。在本研究中，我們從中國東南部的一個代表性水產養殖區收集了春季和秋季的水樣、沉積物、有機物及微塑料樣本。通過高通量16S rRNA測序、群落生態建模、功能預測和網絡分析，系統研究了“塑料圈”細菌的多樣性、組裝機制和生態功能。結果表明，棲息地類型是影響細菌群落結構的主要因素，而季節則是調節不同環境中群落組成的次要因素。盡管微塑料與有機物共享某些核心微生物群，但其附著的細菌群落與水、沉積物和有機物上的細菌群落存在顯著差異。中性模型分析顯示，微塑料與有機物表面之間的遷移率極低（m = 0.011），表明微塑料形成了一個獨立且擴散受限的人工生態位。共現網絡分析進一步表明，微塑料表面主要由潛在的塑料降解細菌和條件致病菌類占據，而有機物群落則表現出腐生特性。功能預測顯示，微塑料在人類疾病相關功能和烴類降解功能方面顯著富集，并且這些功能在不同季節保持穩定。本研究揭示了海洋水產養殖區微塑料表面附著的細菌同時具有污染修復潛力和公共衛生風險特性，為評估微塑料及其附著微生物群的生態影響提供了新的見解，也為水產養殖管理策略提供了參考。
引言
微塑料（MPs）通常定義為直徑小于5毫米的塑料顆粒（Ho等人，2024年）。海洋微塑料已成為全球關注的主要環境污染物（Avio等人，2017年），現已在海水中（Yang等人，2024年）、海洋沉積物中（Ramtahal等人，2025年）以及海洋生物體內（Yu等人，2024年）被廣泛檢測到。它們對生態系統健康的潛在威脅引起了國際社會的日益關注（Ghosh等人，2023年）。在海洋水產養殖系統中，塑料被廣泛用于浮標、養殖籠具、繩索和包裝材料。由于廢物管理不善，大量廢棄的水產養殖相關塑料在近岸養殖區破碎并降解為微塑料。因此，微塑料已成為當代沿海生態系統中最主要的來自人類活動的顆粒物成分之一。微塑料及其表面定殖的微生物群落統稱為“塑料圈”（Zettler等人，2013年；Zhai等人，2023年）。塑料圈表明，微塑料不僅作為化學污染物存在，還構成了動態且復雜的微生境。棲息在塑料圈中的微生物群落與周圍海水或天然顆粒物（如有機物）上的微生物群落有顯著差異，這表明微塑料作為人工表面，會選擇性地富集某些特定微生物類群（Dong等人，2026年）。越來越多的研究報道了微塑料上存在潛在致病菌，包括弧菌屬（Vibrio）和氣單胞菌屬（Aeromonas）的成員（Kirstein等人，2016年；Wang等人，2024b年）。此外，微塑料還被證明可以攜帶具有潛在塑料降解能力的微生物（Dong等人，2023年）。
水產養殖環境通常具有較高的營養負荷、豐富的有機顆粒物和有限的水體交換，這些條件促進了微生物在微塑料表面的附著和生長（Verdegem，2013年）。現有關于微塑料附著微生物群的研究主要集中在河流和沿海海洋系統（Marsay等人，2023年；Niu等人，2023年），而針對水產養殖區微塑料附著細菌的季節變化和生態功能的研究仍然較少。在海洋生態系統中，除了微塑料等人造顆粒物外，還存在多種天然有機顆粒物，包括落葉等植物殘骸和其他碎屑物質。這些顆粒物也是細菌附著和定殖的重要基質（Qian等人，2022年）。這些微生物共同參與有機物的分解、養分再生和碳循環。盡管天然顆粒物和微塑料可能攜帶部分重疊的微生物群落（Di Cesare等人，2024年），但由于物理化學性質和基質可用性的差異，它們通常支持不同的微生物群落。此外，水產養殖環境的季節性變化（如溫度和營養濃度的變化）會深刻影響微塑料附著微生物群落的結構和組成（Marmen等人，2021年）。
了解微塑料表面微生物群落的組裝機制對于微塑料研究至關重要。這些群落的形成和演替受到生態位篩選、歷史效應、擴散限制和隨機過程的共同影響。在水產養殖環境中，一些關鍵問題尚未解決，包括微塑料與天然有機顆粒物之間的擴散是否受限，它們是否共享穩定的核心群落，以及這些細菌群落在不同季節的穩定性如何。為了解決這些問題，本研究聚焦于中國東南部沿海地區的一個典型水產養殖區。我們在春季和秋季系統地收集了水樣、沉積物、天然有機顆粒物和微塑料樣本。我們結合了16S rRNA基因的高通量測序和多種生態模型及功能預測方法，探討了以下問題：（1）微塑料表面微生物群落的結構和多樣性及其與自然棲息地（包括水、有機物和沉積物）的差異；（2）棲息地類型和季節變化對微塑料附著微生物群落的影響；（3）塑料圈是否選擇性地富集特定關鍵功能微生物，如人類病原體和烴類降解細菌；（4）微塑料表面微生物群落在多大程度上受到擴散的限制。通過系統揭示水產養殖區微塑料附著微生物群的生態特征和潛在風險，本研究為支持沿海水產養殖管理、微塑料的生態風險評估和海洋生態系統保護提供了重要的科學依據。
材料與方法
2021年4月（春季）收集了水樣、微塑料和有機物（木材）樣本，2021年10月（秋季）再次收集了水樣、微塑料、沉積物和有機物樣本。采樣地點位于中國東南沿海的六個水產養殖區，包括寧波的兩個地點（NB-1和NB-2）、臺州的兩個地點（TZ-1和TZ-2）以及溫州的兩個地點（WZ-1和WZ-2）。所有采樣站的地理坐標見圖1和補充表S1。
微塑料樣本收集：
微生物群落的多樣性、結構和核心驅動因素
成功提取并測序了來自春季和秋季的125個細菌DNA樣本。使用Shannon-Wiener曲線進行的稀釋分析（補充圖1）顯示，隨著測序深度的增加，所有曲線均趨近飽和，表明后續的微生物分析具有足夠的覆蓋度。Chao1豐富度指數顯示不同基質和季節之間存在顯著差異。總體而言，春季的細菌豐富度低于秋季（補充圖
塑料圈微生物群落的季節動態和基質特異性選擇
本研究觀察到的季節動態有助于理解塑料圈的長期演替過程。從春季到秋季，α多樣性（表現為Chao1指數的增加）和群落組裝過程（中性過程的貢獻增強）均表現出明顯的季節性變化。季節性變化被廣泛認為是影響微生物群落結構的關鍵因素（Tav?ano?lu等人，2025年）。微塑料表面也表現出類似的季節性模式
結論
基于兩個季節和多基質的細菌調查，本研究闡明了微塑料作為人工顆粒生態位在典型水產養殖區中的結構作用和生態風險。結果表明，棲息地類型是影響不同季節細菌多樣性和群落結構的主要因素，而季節則是調節各種環境中細菌群落組成的次要因素。盡管微塑料表面與
CRediT作者貢獻聲明
Xuri Dong：撰寫——初稿撰寫、監督、資源提供、方法論設計、資金獲取、數據管理。Yanru He：撰寫——審稿與編輯、數據管理。Changjun Li：撰寫——審稿與編輯。Ruiming Wu：撰寫——審稿與編輯。Li Chen：撰寫——審稿與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。我們還要感謝編輯和匿名審稿人對手稿提出的有益意見。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（42506118）和江蘇海洋大學啟動基金（KQ24077）的資助。
