揭秘塑料際：海洋生物的“人造棲息地”（上）（原創 胥悅）

海洋塑料污染新視角

湛藍的海洋，是地球生命的搖籃，也是萬千生物賴以生存的家園。然而，一場無聲的危機——海洋塑料污染，正悄然侵蝕著它。從深海峽谷到極地冰帽[1-3]，大大小小的塑料垃圾無處不在，它們纏繞海鳥，堵塞鯨的消化道，甚至改變海岸線的自然面貌。這股“塑料洪流”不僅對海洋生物的生存構成直接威脅，也深刻影響著海洋生態系統的健康與平衡。海洋塑料污染無疑已經成為21世紀全球面臨的一項嚴峻挑戰。然而，當我們將目光聚焦到那些肉眼幾乎不可見的微塑料顆粒時，一個更為復雜且充滿未知的世界展現在我們眼前。

微塑料（microplastic）概念的首次提出源于2004年英國普利茅斯大學的一項研究，而后被定義為“直徑小于5毫米的塑料顆粒”[4]。如今，科學家們驚奇地發現，這些尺寸微小卻廣泛存在的塑料顆粒，正在海洋中形成一個獨特的新舞臺。當它們漂浮在海水中時，其表面會迅速附著各種微生物，形成一層肉眼難辨的復雜生物膜。這種附著在微塑料表面，由特定微生物群落構成的獨特微生態系統，便被形象地稱為塑料際（plastisphere）。這個微觀世界里的“居民們”利用微塑料的表面作為家園，開展著它們的生命活動。

那么，這些看似普通的微塑料，究竟具備了怎樣的魔力，才得以在浩瀚海洋中化身為微生物青睞的“人造棲息地”？ 而微生物又是如何一步步在其表面“安家落戶”，構建起獨特的塑料際生態系統？

海洋中的“人造島棲息地”

微塑料的“殖民”條件

微塑料并非單一產物，它們來源多樣，類型復雜。其主要分為兩大類：初級微塑料和次級微塑料。初級微塑料是指那些生產應用之初就呈現微小顆粒形態的塑料，例如某些洗面奶、牙膏中含有的微珠、工業磨料等[5]。而更普遍、數量更龐大的次級微塑料是指廢棄的塑料瓶、購物袋、漁網、包裝薄膜等在海洋環境中經過陽光紫外線照射、海浪沖刷、風力磨損以及生物啃食等作用，逐漸解體、破碎而形成微塑料顆粒[6]。此外，我們日常穿著的合成纖維衣物在洗滌過程中脫落的微小纖維，也是海洋中次級微塑料的重要來源。

微塑料的化學組成多樣。常見的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），其密度均小于海水，使得它們可以在海面或其他水體上層長期漂浮，隨波逐流，進行長距離的傳播。然而，這種浮力并非一成不變，隨著生物膜的形成，微塑料的密度會增加，導致其垂直向下運輸甚至最終沉入海底。

區別于那些降解快速的天然有機物，塑料具有高耐久性，這意味著它們在環境中可以存在數百年甚至數千年而不完全降解，為微生物提供了異常穩定且持久的生存平臺。更重要的是，微塑料表面并非一成不變，其在海洋環境中會發生顯著的表面改性。例如，紫外線照射會導致其表面氧化，變得更加粗糙，并可能改變其電荷和親疏水性。生物膜的形成本身也會改變微塑料的表面性質。這些變化使得微塑料表面更容易吸附水中的溶解性有機物和微生物，從而成為一種新型的基質，與天然的泥沙、巖石或浮游生物顆粒截然不同，提供了前所未有的微生態位。

微塑料的這些特性皆為微生物的“殖民”創造了得天獨厚的條件。

微生物的“殖民”之旅

微生物群落在微塑料上的生長，是一個動態的、逐步發展和演替的過程[7]，通常可以分為以下幾個階段。

• “先鋒開拓者”：初始定植

在這個階段，一些適應性強、生長迅速的先驅微生物率先抵達微塑料表面。這些“開拓者”能夠迅速增殖，在沒有太多競爭的情況下盡可能覆蓋微塑料表面。它們不僅自己站穩腳跟，更為后續其他微生物的附著以及資源在生物膜內的循環利用奠定了基礎。

• “基質工程師”：牢固附著與群落壯大

隨著時間的推移，微生物便會不可逆地附著在塑料表面。這不僅僅是簡單的物理吸附，而是依靠微生物自身的菌毛、蛋白質黏附以及它們分泌出的胞外聚合物（EPS）共同作用而實現的[8]。EPS是一種由多糖、蛋白質和DNA組成的黏性物質，就像微生物生產的水泥和黏合劑，不僅幫助它們牢牢黏附在微塑料表面，更穩定了細胞與細胞之間的相互作用，為微生物群落構建了一個堅固的家園。一旦初始群落形成，一系列其他微生物，包括細菌、病毒和真核微生物便會陸續被招募進來，群落逐漸壯大。

• “微生態調控員”：群落演變

隨著生物膜的成熟，微生物群落內部開始形成復雜的微生態系統。微生物產生各種次生代謝物改善群體感應和抗菌作用，以協調集體行為和應對競爭[9]。通過物種的不斷招募、丟失和替換，生物膜最終演變為一個功能多樣、處于動態平衡的“熱點”區域，形成了成熟的塑料際[10]。| 未完待續

塑料際的形成和演替 / 引自文獻[11]

參考文獻

[1] Peeken I, Primpke S, Beyer B, et al. Arctic sea ice is an important temporal sink and means of transport for microplastic[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 1505.

[2] Peng X, Chen M, Chen S, et al. Microplastics contaminate the deepest part of the world’s ocean[J]. Geochemical Perspectives Letters, 2018, 9(9): 1-5.

[3] Chen B, Zhang Z, Wang T, et al. Global distribution of marine microplastics and potential for biodegradation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2023, 451: 131198.

[4] Thompson R C, Olsen Y, Mitchell R P, et al. Lost at Sea: Where Is All the Plastic?[J]. Science, 2004, 304(5672): 838.

[5] Zhang K, Shi H, Peng J, et al. Microplastic pollution in China’s inland water systems: A review of findings, methods, characteristics, effects, and management[J]. The Science of the Total Environment, 2018, 630: 1641-1653.

[6] Akdogan Z, Guven B. Microplastics in the environment: A critical review of current understanding and identification of future research needs[J]. Environmental Pollution (Barking, Essex: 1987), 2019, 254(Pt A): 113011.

[7] Yang Y, Liu W, Zhang Z, et al. Microplastics provide new microbial niches in aquatic environments[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2020, 104(15): 6501-6511.

[8] Dussud C, Meistertzheim A L, Conan P, et al. Evidence of niche partitioning among bacteria living on plastics, organic particles and surrounding seawaters[J]. Environmental Pollution (Barking, Essex: 1987), 2018, 236: 807-816.

[9] Dang H, Lovell C R. Microbial Surface Colonization and Biofilm Development in Marine Environments[J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2016, 80(1): 91-138.

[10] Onda D F L, Sharief K M. Identification of Microorganisms Related to Microplastics[M]//Handbook of Microplastics in the Environment. Springer, Cham, 2021: 1-34.

[11] Zhai X, Zhang X H, Yu M. Microbial colonization and degradation of marine microplastics in the plastisphere: A review[J]. Frontiers in Microbiology, 2023, 14: 1127308.

[12] Li C, Wang L, Ji S, et al. The ecology of the plastisphere: Microbial composition, function, assembly, and network in the freshwater and seawater ecosystems[J]. Water Research, 2021, 202: 117428.

[13] Amaral-Zettler L A, Zettler E R, Mincer T J. Ecology of the plastisphere[J]. Nature Reviews Microbiology, 2020, 18(3): 139-151.

[14] Li C, Gillings M R, Zhang C, et al. Ecology and risks of the global plastisphere as a newly expanding microbial habitat[J]. The Innovation, 2024, 5(1): 100543.

[15] Amaral-Zettler L A, Zettler E R, Slikas B, et al. The biogeography of the Plastisphere: implications for policy[J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2015, 13(10): 541-546.

[16] Wright R J, Langille M G I, Walker T R. Food or just a free ride? A meta-analysis reveals the global diversity of the Plastisphere[J]. The ISME Journal, 2021, 15(3): 789-806.

信息來源：廈門大學

作者：胥悅、方崇宇

由海洋負排放（ONCE）國際大科學計劃、廈門大學碳中和創新研究中心支持。