海洋微塑料污染与塑料降解微生物研究进展

塑料垃圾在近海、大洋水体和沉积物中均广泛存在,并不断累积,对海洋生态系统构成了重大威胁,引起了国际社会的高度关注。本研究从环境生态和塑料降解微生物两个角度回顾了近几年相关方向上的研究进展,包括国内外海洋塑料特别是海洋微塑料在近海与深海等环境中的分布与丰度,以及近海、大洋等环境中降解菌多样性及其降解机制。总体而言,微塑料广泛分布在多种海洋环境,特别是在河口和近海的海水和沉积物,近岸沙滩,以及大洋环流中心;目前已报道的塑料降解菌及其降解酶主要来自陆地土壤和塑料垃圾处理环境,并以聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate,PET)降解菌和降解酶的研究最为深入。当前,中国科学家已在近海、大洋深海(深渊)以及极地等大洋环境中,开展了微塑料分布特征和丰度调查,并在生态危害方面开展了研究,但在海洋塑料降解微生物方面还鲜有报道。塑料在海洋环境中的最终归宿以及微生物在塑料降解过程中的作用亟待评估,建议在大洋深海科考中整体布局、联合开展这两个方面的相关研究。     

独流减河入海口微塑料空间分布特征

为了探究独流减河入海口微塑料空间分布特征,本研究于2021年3月采集了该区域不同环境介相样品,通过消解浮选和激光红外成像系统对样品中微塑料种类、丰度、粒径和形状进行了深入研究。结果显示,在水样中检测到的微塑料的浓度范围为227～402 items/L。共检测到17种微塑料,其中丰度最高的是聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);沉积物中微塑料数量丰度为8 430～12 600 items/kg,共检测到18种微塑料,其中丰度最高的是PE、PP、PET、PA和聚氯乙烯(PVC)。在水样和沉积物中,粒径分布表现为随着粒径减小微塑料的数量急剧增加;在形状分布上,除少部分大粒径的PET、PA和PP表现为纤维外,绝大多数微塑料为颗粒态。本研究表明,微塑料随独流减河从淡水到海水的传输过程中,随着盐度和密度提高,水体中微塑料丰度显著提高;而同样由于密度的差异及使用用途的差异,导致水样和沉积物之间微塑料组成结构具有明显差异。揭示了水体及微塑料密度及微塑料用途是影响河口区域微塑料空间分布的重要因素。     

海岸环境中两类软质微塑料表面生物膜DNA的提取方法比较与优化

微塑料因粒径小、比表面积大,可作为重金属、有机污染物以及病原微生物的载体。已有研究表明,微塑料表面附着的微生物主要以生物膜的形式存在。本研究以山东省海岸带环境中常见的两类软质塑料——发泡类聚苯乙烯（expanded polystyrene,EPS）和聚乙烯薄膜（polyethylene films,PE）为研究对象,比较了MP FastDNA®和MOBIO PowerSoil®两种DNA提取试剂盒对微塑料表面生物膜DNA的提取效果,探讨了不同的微塑料粒径和数量对DNA提取效果的影响。结果表明,MP FastDNA®试剂盒对两种软质微塑料表面生物膜DNA的提取浓度显著低于MOBIO PowerSoil®试剂盒（1.0~12.5倍）。采用MP FastDNA®试剂盒提取的PE表面DNA的浓度约为EPS的1.3~4.4倍。当微塑料数量不大于20片时,小粒径（1~3 mm）的EPS表面生物膜DNA浓度显著高于大粒径（3~5 mm） EPS,而对于PE薄膜则相反。对于两种粒径的EPS,微塑料表面DNA浓度均随着微塑料数量的增加而显著增加,但对于小粒径（1~3 mm）的PE薄膜,DNA浓度随微塑料数量的增加呈先增后减的趋势;而大粒径（3~5 mm）的PE薄膜表面DNA浓度随微塑料数量的增加而降低。微塑料的粒径和数量对其表面DNA提取效果影响的差异与微塑料的类型及其理化性质有关。本研究可为海洋与海岸环境中微塑料表面微生物群落组成与多样性研究提供方法支撑。     

山东沿海不同工业废水源中微塑料的赋存特征

微塑料(MPs)作为一种普遍存在的新污染物受到广泛关注,工业来源被认为是受纳河流和邻近海域中微塑料的重要来源,但是关于工业来源废水中的微塑料污染情况并不明确。本文系统研究了山东沿海5个行业代表性企业进水和出水中微塑料的赋存特征,结果表明,工业废水源内部污水处理系统对微塑料的去除效率较低,平均去除率仅为59.86%,沿海工业废水是近海环境中微塑料污染的潜在重要来源。不同类型工业中纺织印染业的进、出水微塑料含量最大,平均丰度分别为84.8个/L和19.6个/L,纸塑制造厂、化工厂和船舶工业的污水中微塑料丰度相近,进水中微塑料丰度在32.0~37.2个/L之间,出水中微塑料丰度在10.8~14.6个/L之间,金矿厂的进水中微塑料丰度最低,为23.9个/L,出水微塑料丰度为17.6个/L。不同工业源进水中微塑料在形状和成分上相似,在尺寸和颜色上存在行业差异,纤维(占比范围61.46%~84.48%)是主要形状,聚乙烯(PE)(53.48%~76.19%)是主要成分。工业源出水中微塑料主要形状为纤维(61.46%~91.06%),主要颜色为蓝色(41.67%~58.22%),主要成分为PE (16.22%~67.83%),出水中微塑料尺寸存在行业差异,≤300 μm的微塑料平均占比最高,为28.67%,占比范围为23.96%~35.19%。工业出水中微塑料特征与海洋中微塑料特征高度契合,再次证明了工业污水对海洋微塑料污染的重要贡献。本研究通过揭示典型海湾周边代表性行业的工业污水中微塑料浓度与特征,为海洋微塑料的源汇特征、迁移与防控研究提供科学依据。     

南海西沙群岛海域鸢乌贼Sthenoteuthis oualaniensis胃组织微塑料沉积特性研究

随着微塑料在全球海洋环境和鱼类中被发现,海洋微塑料污染越来越受到各界学者的关注。然而头足类微塑料的研究甚少,南海鸢乌贼(Sthenoteuthis oualaniensis)对微塑料的摄取特性的研究更是未见报道。根据2020年3~5月中国生产调查船于南海西沙群岛海域采集的36尾鸢乌贼样本,对其胃组织微塑料沉积特性进行了研究。结果表明,36尾鸢乌贼样本中有33尾胃组织中发现微塑料,共计88个,单个样本微塑料含量介于0~6个,平均为2.44个。微塑料长度范围为0.121~2.748 mm,平均为0.878mm,且75.0%的微塑料长度小于1mm;颜色包括黑色(39.8%)、蓝色(31.8%)、透明(10.2%)、白色(6.8%)、红色(6.8%)和黄色(4.6%)6种,材质主要由棉(cotton)(50.0%)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(21.6%)、人造丝(Rayon)(10.2%)、聚酯纤维(Polyester)(9.1%)、聚苯乙烯泡沫塑料(Styrofoam)(4.5%)、聚乙烯(PE)(2.3%)和丙烯酸塑料(acrylic)(2.3%)7种组成。相关性分析表明,南海鸢乌贼胃组织微塑料的含量与胃重、摄食强度无显著相关性,但与平均胴长、体重、年龄呈显著线性相关。研究结果认为,南海鸢乌贼胃组织微塑料的沉积随着个体的生长而逐渐积聚,这种积聚与自身生长可能呈对数函数关系(a>1)。     

海洋微塑料污染的生物效应研究进展

微塑料是粒径小于5mm的各类塑料碎片的总称。在环境领域中,微塑料污染已经成为人们的关注热点。近年来,海洋环境中微塑料污染日益严峻,其引发的生物与环境问题也备受关注。本文系统总结了海洋微塑料污染的生物效应研究进展,介绍了微塑料的定义、来源、分类、分布特征等研究现状,分析了微塑料对海洋环境中海水水质和沉积环境的影响,综述了微塑料对海洋生物的毒性效应,并基于研究进展提出了未来需关注的研究方向,以期为海洋微塑料对环境与生物的影响研究提供借鉴和参考。     

海洋垃圾降解时间线

从陆地和海洋中产生的海洋垃圾会在海洋中存在很长、很长的时间……每年都有数以吨计的塑料和其他垃圾被丢弃进河流、遗留在海滩或被倾倒进海洋。海洋垃圾不仅有碍观瞻,还会给人类和海洋生物造成危害。海洋垃圾会在海中存在很长时间。因此,让我们努力保     

中国海洋微塑料污染的研究现状与展望

塑料垃圾通过各种途径进入海洋,海洋塑料污染已成为全球性环境问题。本文系统总结了国内外塑料污染的研究历程与现状,发现直接或者间接来源的微塑料在环境中广泛积累,呈全球化分布趋势;重点探讨了我国微塑料的来源、分布以及污染形势和生态影响,发现我国微塑料污染形势严峻,覆盖范围广泛,甚至涉及食品安全领域。塑料的生物降解是受到高度关注的研究领域,本文通过对微塑料的生物降解途径的归纳,总结了塑料降解的过程、生物种类以及相关的降解酶等,以期为海洋微塑料污染的治理提供启示。目前微塑料污染已经引起世界各国的广泛关注,但对海洋环境中微塑料的鉴定以及污染物消除技术等研究极少,迫切需要开展相关研究工作。     

海水养殖环境中拟除虫菊酯类农药降解菌的分离鉴定及降解特性研究

从近岸海水养殖环境中分离获得一株能高效降解氯氰菊酯(Cypermethrin,CYP)和溴氰菊酯(Deltamethrin,DEL)的菌株HS-10,经生理生化和16S rDNA分析,初步鉴定其为假交替单胞菌(Pseudoalteromonas sp.)。不同降解条件下的实验结果表明,菌株HS-10在pH 7.0、温度28°C的环境中具有较好的生长和降解效率,在该条件下,对初始浓度为100mg/L的CYP和DEL的降解效率分别为75.6%和90.9%。进一步采用发光细菌和核磁共振(NMR)方法对菌株HS-10的降解产物进行分析,结果表明,CYP和DEL主要通过微生物降解消除,其降解产物的毒性显著降低。同时,考察了菌株HS-10对氯氰菊酯、溴氰菊酯、联苯菊酯(BIF)、氟氯氰菊酯(CYF)和氰戊菊酯(FEN)5种拟除虫菊酯类农药(浓度分别为100mg/L)的降解效率,结果表明,对5种农药的降解率均达到50%以上,本研究获得的菌株HS-10可用于海水养殖环境中拟除虫菊酯类农药残留污染的生物修复。     

青岛近海样品中聚丙烯微塑料降解微生物的富集培养及活性研究

本文以PP为唯一碳源对青岛近海海水和沉积物样品中的微生物进行实验室富集培养,对不同富集时间的富集水样及微塑料附着细菌的群落结构进行分析并对富集40 d的PP附着细菌进行分离、鉴定及PP降解活性检测。通过16S rRNA基因高通量测序及分析,发现PP附着细菌出现明显的群落演替,群落多样性随富集时间的延长而增大。PP附着细菌在富集过程中,γ-变形菌纲假单胞菌属(Pseudomonas)和不动杆菌属(Acinetobacter)细菌占绝对优势,其次为α-变形菌纲扎瓦尔金氏菌属(Zavarzinia)及拟杆菌纲(Bacteroidia)细菌。富集培养获得的铜绿假单胞菌LXI681(Pseudomonas aeruginosa)和反硝化无色杆菌LXI668(Achromobacter denitrificans)对PP具有降解活性。本研究为缓解PP微塑料污染提供了潜在的微生物菌种资源。     

Surface properties of beached plastic pellets

The presence of pollutants on plastic debris is an emerging environmental hot topic. Understanding the surface alteration of plastics while in the marine environment increases our understanding of the pollutant–plastic debris interaction. Plastic pellets are widely distributed throughout the world oceans. Eroded and virgin polyethylene (PE) and polypropylene (PP) pellets were studied for their surface properties to better understand the interaction between plastic and compounds in marine environment. Surface properties such as point of zero charge, surface area and pore volume, surface topography, functional groups and acid–base behavior are important factors which affect sorption. Virgin plastic pellets had homogeneous smooth surfaces that do not have any acid–base behavior. Eroded PE demonstrates an altered surface that at seawater pH acquires a negative charge due to ketone groups. The uneven surface and possible functional groups could have been formed from the erosion processes while floating at the sea surface and might explain the interaction of eroded plastics with microbes and metals.     

Fugacity analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons between microplastics and seawater

Recently, the accumulation of plastic debris in the marine environment has become a great concern worldwide. Although plastics are biologically and chemically inert, plastic debris has been suspected of causing adverse effects on ecosystems due to the increase in reactivity by size reduction and/or micropollutants associated with plastics. Because of the high sorption capacity of microplastics toward organic micropollutants, it is suspected that microplastics may play roles in the distribution and fate of micropollutants. In order to quantitatively evaluate the “net flow” of environmental contaminants in water-plastic-organism systems, a fugacity analysis was conducted using concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in open oceans and in polyethylene as a representative material of plastic debris. Ratio of fugacity in polyethylene to that in seawater showed a decreasing trend with increasing partition coefficient between polyethylene and seawater (K_PE/sw). This indicates that phase equilibrium between polyethylene and seawater is not attained for higher molecular weight PAHs. Disequilibrium of high molecular weight PAHs suggests that transfer from seawater to plastic debris is thermodynamically driven and the role of plastic debris as a vector to transfer them to living organisms would be minimal. However, additives may slowly migrate from plastics into the environment causing potentially serious effects on ecosystems.     

一株虹鳟源枯草芽孢杆菌的分离鉴定及生物学特性研究

为筛选对虹鳟(Oncorhynchus mykiss)有潜在益生效果的菌株,本研究从健康虹鳟幼鱼肠道中分离到1株潜在益生菌株RT-BS07,采用形态学观察和分子特征分析对该菌株进行了鉴定,并评价了该菌株的抑菌性、耐受性、黏附性和安全性。形态学观察显示,菌株RT-BS07为革兰氏阳性杆菌,有圆形或椭圆形芽孢。16S rRNA比对结果显示,该菌株与枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)NCBI3610株的同源性为99.86%。结合16S rRNA基因序列分析和形态学观察结果,确定菌株RT-BS07为枯草芽孢杆菌。菌株RT-BS07具备产蛋白酶和纤维素酶能力,其酶活力分别为(0.039±0.002)和(0.393±0.002)U/mg;该菌株可有效抑制温和气单胞菌(Aeromonas sobria)、杀鲑气单胞菌(A.salmonicida)和鲁氏耶尔森氏菌(Yersinia ruckeri)等致病菌。菌株RT-BS07在pH为2~10 LB液体培养基中均可存活;在盐度为2%~8%条件下存活率为5.70%~93.28%,其存活率随盐度升高而降低。体外黏附试验结果表明,菌株RT-BS07可大量黏附在虹鳟前肠黏膜,不破坏肠道组织完整性,对左氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星和链霉素等18种抗菌药物敏感。本研究分离筛选得到的枯草芽孢杆菌RT-BS07株具有产消化酶性能,其抗逆性能强,对虹鳟无毒害作用,可作为虹鳟健康养殖及益生菌制剂研发源益生菌候选株。     

Desorption of Hydrophobic Organic Chemicals from Fragment-Type Microplastics

Microplastics provide an important medium for hydrophobic organic chemicals (HOCs), and the desorption of HOCs from microplastics is an important process for the dynamics of HOCs associated with microplastics. Although desorption kinetics has been studied for microplastics with ideal geometries, most of the microplastics isolated from the environment are irregular fragment-type microplastics. This study investigated the desorption of six model HOCs from polyethylene (PE) and polypropylene (PP) fragments to artificial seawater and compared the results with those predicted assuming ideal geometries (e.g., sphere and infinitely flat sheet) of microplastics. The experimental desorption was explained well by the model predictions with the characteristic radius for a sphere and the thickness for a plate estimated from visual imaging. The mass fraction remaining at the later stage of desorption was higher than the model simulation assuming a single characteristic length, likely due to the heterogeneity of the particle size distribution. Although there are inevitable uncertainties, it would be useful to assign a single length dimension in desorption modeling for even fragment-type microplastics, especially for the estimation of desorption half-life.     

香鱼(Plecoglossus altivelis)致病性类志贺邻单胞菌的分离与生化药敏鉴定

香鱼(Plecoglossus altivelis)是名贵洄游性鱼类,由于高密度养殖等因素导致病害频发。2021年7月强台风"烟花"过境后浙江省宁海县养殖香鱼暴发体表溃烂病,死亡严重。病鱼皮肤、肌肉溃烂并伴有周围皮肤充血。组织切片观察显示病鱼患处肌纤维断裂,周围红细胞、炎性细胞浸润;鳃丝和鳃小片中红细胞增多;肝细胞核呈空泡,部分细胞核染色质边集;脾脏内红细胞数量减少,部分白细胞聚集;肠黏膜上皮细胞脱落。从患病香鱼肠中分离到一株菌(编号NH21),其菌落低突、边缘光滑表面湿润,该菌株为革兰氏阴性菌,菌体呈短杆状、端圆。经生化特性和16S rDNA序列分析鉴定NH21菌株为类志贺邻单胞菌(Plesiomonas shigelloides)。用该菌株对健康香鱼进行回归感染后,人工感染香鱼呈现与本次体表溃烂病香鱼相似的症状,经计算NH21菌株对香鱼的半致死剂量(LD₅₀)为2.51×10⁷ CFU/mL。25种抗生素的药敏试验显示NH21菌株对阿奇霉素、头孢氨苄、新生霉素、多黏菌素B、头孢西丁、呋喃唑酮6种抗生素敏感。从NH21菌株中检出了毒力基因9个、耐药基因8个。综合分析表明,分离得到的类志贺邻单胞菌NH21菌株是本次宁海县香鱼体表溃烂病的病原菌,研究结果为香鱼出现类似病症的预防和治疗提供了基础资料。     

兼性厌氧海洋细菌Shewanella sp.N3B_R的分离鉴定及产电性能分析研究

本研究的目的是利用聚苯胺修饰双室微生物燃料电池(MFC),从海水养殖废水中分离筛选阳极海洋产电菌,并利用响应面Box-Behnken设计优化各产电因子,提高产电性能.从海水养殖池塘的废水和污泥中分离出一株兼性厌氧海洋菌株,利用16SrRNA基因序列和API20NE生化分析进行鉴定,采用扫描电镜进行菌株形态的观察.采用循...     

香鱼(Plecoglossus altivelis)致病性类志贺邻单胞菌(Plesiomonas shigelloides)的分离与生化药敏鉴定*

香鱼(Plecoglossus altivelis)是名贵洄游性鱼类,由于高密度养殖等因素导致病害频发。类志贺邻单胞菌广泛存在于养殖水环境中,给香鱼养殖业造成严重经济损失。对患体表溃疡病的香鱼进行病原分离和鉴定,从患病鱼体表和肠道组织中分离到一株优势菌(NH21),其菌落低突,边缘光滑,表面湿润。革兰氏染色结果显示NH21为革兰氏阴性菌,菌形态为短杆状,端圆。经生化特性和16S rDNA序列分析鉴定为类志贺邻单胞菌(Plesiomonas shigelloides)。回归感染后,香鱼呈现与发病鱼相似的症状,皮肤、肌肉溃烂并伴有周围皮肤充血,组织切片可观察到病鱼肌纤维断裂,周围红细胞、炎性细胞浸润;鳃丝和鳃小片中红细胞增多;肝细胞核呈空泡,部分细胞核染色质边集;脾脏内包细胞增多,红细胞呈梭形;肠黏膜上皮细胞脱落。经计算其半致死量LD50为1.99×10⁷ CFU/mL。25种抗生素的药敏试验显示NH21菌株对阿奇霉素、头孢氨苄、新生霉素、多粘菌素B、头孢西丁、呋喃唑酮6种抗生素敏感。检出NH21菌株毒力基因9个,耐药基因8个。综合分析表明,分离菌株NH21为类志贺邻单胞菌属,是本次香鱼体表溃烂病病原菌,研究结果为香鱼出现类似病症的预防和治疗提供了基础资料。     

别样玫瑰变色杆菌(Aliiroseovarius sp.)Z3基因组测序及比较基因组分析

菌株Z3是一株从凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)肠道样品中分离出的细菌。本研究利用Illumina HiSeq测序平台对其进行了测序, 用SOAPdenovo等软件进行基因组组装、系统发育分析、基因预测和功能注释, 并与别样玫瑰变色杆菌属(Aliiroseovarius)已知的5个种的模式株进行了比较基因组分析。基因组注释结果显示, Z3基因组大小为3525503bp, GC(guanylate and cytidylic acid)含量为59.4%, 预测包含3509个编码蛋白基因。通过16S rRNA基因全长序列比对、平均核苷酸一致性(ANI)、DNA-DNA杂交(DDH)和共线性分析发现, 菌株Z3与Aliiroseovarius crassostreae CV919-312T的16S rRNA基因全长序列相似度最高, 为98.20%, 与Aliiroseovarius sediminilitoris DSM 29439T的DDH和ANI值最高, 分别为26.80%和84.95%, 属于Alliroseovarius属的新种, 将其命名为Aliiroseovarius sp. Z3。经比较基因组分析发现, Aliiroseovarius sp. Z3与5个近缘的模式株细菌共享2005个直系同源核心基因簇; Z3拥有的413个独立基因经注释, 主要与碳水化合物转运与代谢、氨基酸转运与代谢、复制、重组及修复等功能相关。功能注释发现Z3具有进行完整的反硝化途径的相关基因, 其利用的可能是环境中的硝酸盐、亚硝酸盐等。本研究对Z3全基因序列的注释、功能和比较基因组的分析, 不仅丰富了Aliiroseovarius属细菌基因组资源, 还为深入研究其反硝化特性等提供了基础。     

一株大口黑鲈(Micropterus salmoides)虹彩病毒(Iridoviridae)的分离及鉴定

2018年7月,浙江省某大口黑鲈(Micropterus salmoides)养殖场暴发疑似病毒引起的疾病。现场采样发现,病鱼体长约15—20cm,鱼体于水面下暗游,反应迟钝,体表有出血点或溃疡症状。本研究通过采用鲤鱼上皮瘤细胞(epithelioma papulosum cyprinid, EPC)培养、超薄切片透射电镜观察、病毒主要衣壳蛋白(majorcapsidprotein,MCP)克隆与测序分析等方法,从患病大口黑鲈中分离得到一株病毒,鉴定其属于虹彩病毒科蛙病毒属,命名为大口黑鲈虹彩病毒宁波分离株(LMBIV-NB001)。EPC经患病鱼组织匀浆液接种后出现细胞圆缩、死亡、脱落等典型的细胞病变症状。将感染后的EPC细胞制作超薄切片,通过电镜观察发现,EPC细胞质中存在大量直径约120nm具囊膜的正六边形成熟病毒粒子,形态与虹彩病毒相似。根据虹彩病毒MCP基因保守区域序列设计特异性引物对病鱼组织样本进行PCR扩增,获得了1029bp的目的基因片段。将该扩增片段连入pMD19-T simple质粒后测序,经BLAST比对分析显示,其与GenBank中已报道的鳜鱼蛙病毒NH-1609、大口黑鲈溃疡综合征病毒BG/TH/CU3、EPC060608-08的MCP基因同源性最高,相似度均达到99.13%。构建系统进化树分析表明,本研究分离的LMBIV-NB001株与NC_038508、GU256635、MG941005等虹彩病毒科蛙病毒属毒株聚成一簇。本论文研究结果为不同地区蛙病毒属成员的起源和分化等相关研究等提供了基础材料。