微塑料是城市河流中丰富而独特的微生物栖息地

研 究 背 景

微塑料（即直径<5 mm的塑料颗粒）存在于世界各地的海洋栖息地，包括远洋区、沿海水域、沿海沉积物、海滩和深海。微塑料来源包括制造工厂的工业树脂颗粒以及通过光解、磨损和微生物分解产生的较大塑料的碎片。此外，一些个人护理产品和清洁剂含有微型塑料研磨剂，洗衣机废水中含有来自合成纤维的微塑料纤维。后两种来源进入生活污水基础设施，但由于其体积小和浮力大，通常不被污水处理厂去除。污水处理厂已被确定为海洋环境中微塑料的点源。

微塑料与海洋中的生物以多种方式相互作用，包括消费者的摄取，促进持久性有机污染物在食物网中的积累，以及选择独特的定殖微生物组合。塑料可浸出有毒化学物质，如多氯联苯和壬基酚，这通常对水质和吸收塑料的生物来说是一个令人担忧的问题。此外，微塑料的疏水表面很容易吸附环境中低浓度的持久性有机污染物。被生物摄入后，持久性有机污染物可在生物体内解吸，微塑料在不同条件下对持久性有机污染物的吸附动力学直到最近才被探索，并因个别持久性有机污染物的化学性质而异。

开放海洋中的微塑料含有在分类组成上与周围水的微生物组合不同的微生物生物膜，这表明微塑料表面代表着不同的微生物栖息地，附着在微塑料上的微生物进行的过程可能不同于开放水域中的微生物。微塑料表面也可能是微生物物种扩散的一种新机制，因为塑料物品可以在海洋栖息地中快速迁移。

虽然微塑料的生态效应在海洋中已有记载，但在淡水中却没有得到广泛的测量。河流与海洋和大湖生态系统共享许多相同的微塑料来源，用于稀释的水量更少。因此，接受污水处理厂出水的城市河流可能具有较高的微塑料浓度。河流可能会保留微塑料或将其输送到下游湖泊和沿海环境，这可能会与河流生物群发生许多生物相互作用。目前，河流中微塑料的丰度及其与生物的相互作用及其对生态系统过程的影响尚不清楚。

这项研究的目的是测量城市河流中的微塑料浓度，并评估污水处理厂出水作为潜在点源的可能性。我们假设污水处理厂污水输入的下游微塑料浓度将显著高于上游。此外，我们假设，定殖于微塑料上的细菌生物膜在组成上与邻近生境(水样和悬浮有机物)中的细菌组合不同，并将包括与生活污水相关的细菌。

2.材料与方法

（1）研究地点

美国伊利诺伊州芝加哥的北海岸水道(NSC)是一条12 公里长的人造水道。来自污水回收厂的处理后废水流入NSC，位于其与芝加哥河汇合处上游约5.6公里处。

（2）微塑料的收集和量化

2013年9月，用两张333-μm的筛网收集微塑料。这些渔网同时部署在一艘静止的船后面。在每次部署过程中，在每个网的中心测量水流速度。20分钟后，所有收集的材料从网中冲洗到容器（下游和上游各4个）和250ml未经过滤的现场水。

     为了收集样本进行细菌测量，还收集了额外的净样本（4个下游样本）。网中的材料被冲洗到无菌托盘上。用灭菌钳子取出单个微塑料颗粒，放入无菌标本容器中，并加20ml现场水。样品中的有机物质也以同样的方式去除。为了检测水样细菌，采集了来自上游和下游的2L未经过滤的水样。还收集了三份20ml的过滤水样，以测量上游和下游地点的溶解营养物质。实验室中，在解剖显微镜下计数微塑料。

（3）扫描电子显微镜(SEM)成像

我们使用扫描电子显微镜观察了微塑料样品。从微塑料碎片（N=3）和球粒（N=2）中拍摄随机视野（N=5），以量化微生物细胞密度。

（4）DNA提取和测序

使用DNA提取试剂盒从微塑料、悬浮有机物、下游水样和上游水样中提取DNA。通过16S rRNA基因的下一代扩增序列分析细菌组合。

（5）水化学

使用自动分析仪分析水样中的可溶性活性磷(SRP)、氨(NH4+)和硝酸盐+亚硝酸盐(NOx?)。

3. 结 果

（1）微塑料浓度

在每个净样本中都发现了微塑料，污水处理厂出水下游的浓度高于上游。上游微塑料平均浓度（±SE）为1.94（0.81）m?3，下游为17.93（11.05）m?3。单位面积的平均（±SE）上游和下游浓度分别为730341（279341）km?2和6698264（3929093）km?2。不同地点的微塑料类别不同。仅在下游样品中发现泡沫和颗粒，与碎片和纤维相比，泡沫和颗粒的浓度相对较低。污水处理厂出水下游的所有营养物浓度都明显较高。

（2）微塑料的微生物定殖

在SEM下没有观察到真菌菌丝或藻类细胞，这表明定殖在微塑料上的细胞主要是原核细胞。在随机SEM视野中，细胞密度从0.000到0.304个细胞μm?2不等，并且在微塑料上发现细胞。定殖下游微塑料的平均（±SE）细胞密度为：颗粒上0.037（0.012）个细胞μm?2，碎片上0.063（0.032）个细胞μm?2。相对于碎片，颗粒上的细胞密度没有显著差异。在微塑料上，以及在上游水样、下游水样和下游有机材料上发现了不同的细菌组合，观察到的平均OTU数分别为3023、2795、3630和4264。与上游水样和微塑料样品相比，下游水样和有机材料样品观察到的OTU数量、Chao1丰富度指数和多样性更高。

     不同样本类型的细菌组合存在显著差异。在比较所有样本类型（p<0.001）和将任何一个类别与另一个类别进行比较时，Bray?Curtis指数得分显著不同。4种样本类型在科水平上细菌OTU的相对丰度存在明显差异。3种最常见的细菌科在每种样本类型中都不同。上游水样中最常见的是放线菌、变形杆菌和未分类细菌，而下游水样中最常用的是未分类细菌、莫拉克菌科（Moraxellaceae）和Comamonadaceae。有机物质中最常见的科包括红假单胞菌科、未分类细菌和硫杆菌科，塑料上最常见的是假单胞菌、变形杆菌和弯曲杆菌科。塑料上假单胞菌科和弯曲杆菌科的高丰度尤其显著。假单胞菌科占塑料总序列的19.0%，但占上游水样和有机物质总序列的<1%，占下游水样总序列的2.4%。类似地，弯曲杆菌科占塑料总序列的7.4%，但占上游水样和有机物质总序列的<1%，占下游水样总序列的1.7%。

     有46个OTU占塑料和非塑料下游基材之间的66.6%。对这种变异贡献最大的属是假单胞菌属（14.0%的变异），因为假单胞菌序列在塑料上的含量是非塑料的15倍。在塑料基质上显著高于非塑料基质的其他组是Arcobacter、Aeromonas和未分类的Veillonelliaceae，而在非塑料基质上硫杆菌、Zoogloea、拟杆菌、Comamonadaceae和鞘氨醇杆菌的丰度显著高于塑料基质。有52个OTU导致下游水样和上游水样细菌组合变化的87.8%。放线菌和变形杆菌在上游水样中的数量明显多于下游。尽管下游水样中Zoogloea、不动杆菌、莫拉克菌科、黄杆菌和硫蓟马的平均丰度在4.9-6.7%之间，但所有这些类群的上游平均丰度均<1%。

 

 

Figure 1. Mean and maximum microplastic concentrations at ourstudy sites upstream and downstream of a WWTP in the North ShoreChannel relative to values from the literature. 

 

Figure 2. (A) Number of observed bacterial operational taxonomicunits (OTUs) (colored) and estimate of total number of bacterialOTUs based on Chao1 richness estimator (gray); (B) inverse Simpsondiversity index, and (C) Shannon?Weiner diversity index (H′) forNorth Shore Channel bacterial assemblages. P-values are from 1-wayANOVA comparing among 4 categories, letters show Tukey’s testresults.

 

Figure 3. Nonmetric multidimensional scaling (nMDS) ordination of16S sequencing data (Bray?Curtis dissimilarity) comparing assemblages of bacteria collected in the North Shore Channel.

 

Figure 4. Relative mean abundance of 20 most abundant bacterialfamilies based on 16S sequencing data for samples collected in theNorth Shore Channel.

4.讨 论

为了将这条城市河流中的微塑料浓度与公布的数值进行比较，我们进行了文献综述。本研究中污水处理厂下游的微塑料丰度高于几项公海研究的浓度，本研究中的最大浓度高于其他研究的最大值。此外，本研究中污水处理厂下游的微塑料浓度与风暴后的最大海岸浓度相当，这对城市河流中的河流生物群和生态系统过程具有重要意义。

本研究地点的微塑料颗粒被密集的细菌生物膜定殖，这些生物膜的分类组成与水样和悬浮有机物中的细菌不同，尽管微塑料和有机样品同时收集在同一个网中，因此处于密切的物理接触中。微塑料生物膜的多样性也明显低于下游水样和悬浮有机物中的细菌群落。这些结果表明，微塑料表面选择了一套独特的细菌。

目前尚不清楚微塑料细菌组合是否仅仅是由微塑料的硬表面或微塑料的化学成分（即塑料降解生物）选择的。微塑料生物膜组合中的一个优势细菌类群是假单胞菌属（Pseudomonas），其在非塑料细菌组合中的丰度非常低，这表明微塑料可能选择了能够分解塑料化合物的细菌。我们在研究地点没有观察到微塑料上的任何真菌菌丝，但在未来的研究中应考虑使用分子方法评估微塑料的可能真菌定殖。

与上游相比，我们下游采样点的微塑料含量较高，这表明污水处理厂废水是这条河流的微塑料点源。微塑料类型包括与合成纺织品和个人护理和清洁产品相关的纤维和颗粒。弯曲杆菌科包括与人类胃肠道感染相关的多个分类群，也是我们研究地点微塑料上最主要的科之一（7.4%）。弯曲杆菌科序列在微塑料上的丰度是下游水样中的4倍多，在微塑料中的丰度是悬浮有机物中的13倍多，表明弯曲杆菌科对微塑料具有很强的亲和力。与非塑料样品相比，微塑料样品中含有致病分类群的其他几个属也显著较高。我们注意到，并非这些属或弯曲杆菌科的所有成员都具有致病性，但它们在源自我们研究地点污水处理厂的微塑料上的高丰度表明，与废水相关的生物对微塑料进行了显著的定殖，并表明微塑料可能是将致病细菌运送到水道的新途径。此外，与上游水相比，下游水中的Zooglea序列丰度高出200倍以上，这也证明了废水流出物对下游微生物组合组成的影响。

我们的结果代表了淡水生态系统中微生物群落在微塑料中的首次探索。污水处理厂废水是微塑料的一个点源，这一事实非常重要，因为通过废水系统的运输为废水中常见的致病菌提供了定殖的机会，我们的结果表明，潜在的致病菌可能对微塑料具有亲和力。微塑料和污水处理厂废水之间的联系也很重要，因为污水处理厂出水中的无机营养物浓度通常高于接收水，而且在我们的研究地点，下游水的无机营养物质浓度明显高于上游水。污水中营养素水平的升高可能会刺激细菌生物膜生长，这表明通过污水处理厂污水进入环境的微塑料可能比通过其他途径进入的微塑料支持更多的生物膜生物量。废水相关微塑料上较高的生物膜质量可能对细菌驱动的生态系统过程（如碳和氮循环）产生重大影响。生物膜质量也可能影响微塑料与高营养水平的相互作用，因为水生无脊椎动物已被证明更喜欢以微生物广泛定居的碎屑为食。

     我们的结果表明，城市河流是下游环境中微塑料的一个被忽视的潜在重要来源。我们承认这项研究的地理范围有限，并强调需要更多的研究来评估河流中微塑料的丰度、移动、滞留和生态效应。本研究和未来研究的结果将有助于公众和生态健康，为缓解和预防策略提供信息，从而减少河流中的微塑料积聚和生物影响。