塑料污染已成為全球范圍內亟待解決的生態環境問題。近年來，隨著大量塑料垃圾進入海洋，形成了 “塑料際”(plastisphere)，即附著于塑料表面的微生物生物膜。這種新型的人工生態位對環境的生物地球化學循環影響日益受到關注，尤其是在氮循環過程中的作用尚未明確。
 

　　針對這一科學問題，中國科學院城市環境研究所聯合西南大學等研究機構，在廈門市河口區域開展了原位培養實驗，研究了人工介質表面(塑料、玻璃)和自然介質表面(木材、石頭)的生物膜及其周圍水體的氮循環特征。研究團隊綜合運用穩定同位素15N示蹤技術和高通量測序(擴增子、宏基因組、宏轉錄組)方法，系統比較了不同介質生物膜的氮轉化潛力以及附著和游離生長狀態微生物群落的差異。
 

　　研究發現，盡管塑料表面附著的微生物生物量低于天然材料，但其氮循環潛力顯著增強。具體表現為塑料生物膜中的硝化、反硝化及N?O產生速率明顯高于天然生物膜和水體，硝化速率提高了2～45倍。這種功能增強與塑料表面特殊的微生物群落結構緊密相關，其中以硝化細菌Nitrosomonas和Nitrospira等在塑料生物膜上的高表達為特征。進一步的宏轉錄組分析揭示，塑料表面附著的微生物群落具有更活躍的碳水化合物代謝和能量代謝通路，包括糖酵解和戊糖磷酸途徑等，為氮循環提供了充足的電子和能量供給。此外，與群體感應和生物膜形成相關的信號轉導途徑也在塑料生物膜中顯著增強。
 

　　該研究從生態學、基因組學及轉錄組學的綜合視角，深入闡明了塑料表面微生物群落在河口生態系統氮循環中的關鍵作用，提出塑料污染對生態系統氮循環影響的新認識，為評估塑料污染生態風險提供了重要科學依據。
 

　　研究成果以Plastic biofilms as hotspots of nitrogen cycling in estuarine ecosystems: Comparative ecological, genomic, and transcriptomic analysis across substrates為題，發表于Global Change Biology期刊上。中國科學院城市環境研究所黃鑫榕博士生為第一作者，中國科學院城市環境研究所楊小茹研究員和西南大學蘇曉軒教授為共同通訊作者。研究得到了國家自然科學基金創新群體項目(42021005)和聯合基金項目(U23A20145)、“一帶一路”國際科學組織聯盟(ANSO-PA-2023–18)和寧波市科技頂尖人才項目(No.2021-DST-004)的資助。
 

塑料生物膜促進河口氮循環