塑料渗滤液对海洋中光合细菌的影响

光合细菌是微生物中一类可利用太阳能生长繁殖的特殊生物类群，其分布广泛，可以适应不同的生态环境如淡水、海水、极地或温泉以及高盐、高有机质含量的环境。根据在光合作用中是否产生氧气，可将光合细菌分为不产氧光合细菌和产氧光合细菌两类。产氧光合细菌主要是蓝细菌，或称之为蓝藻、原绿藻，在分类上属于藻类。不产氧光合细菌主要包括紫色细菌和绿色细菌。海洋中存在着大量的光合细菌，这些光合细菌的存在平衡了海洋中的物质循环，同时为全球提供了大量的氧气。是海洋生态系统中必不可少的一部分。蓝藻属的原绿球藻是海洋中数量最多的光合细胞，全球平均数量约为10^27个。该属的成员在生理上和系统发育上可分为两个不同的类群，即高光(HL)和低光(LL)适应类群。原绿球藻对有机污染物和其他环境应激源特别敏感，例如紫外线辐射和铜浓度升高。

据估计，塑料碎片每年对海洋生态系统造成的经济损失超过130亿美元，现已被广泛认为是对海洋环境的严重威胁。大多数工程设计（不可生物降解）的塑料聚合物被认为是高度稳定且具有生物惰性。然而，在大多数塑料产品的制造过程中添加了各种化学化合物以改善性能，并且通常不与塑料聚合物结合。此类物质可能随后从塑料中浸出，包括催化剂残留物，聚合溶剂，增塑剂，金属，染料，阻燃剂，紫外线稳定剂，抗氧化剂和抗菌剂。在世界范围内的海洋和河口水中已经发现了许多这类添加剂，其浓度范围高达每升中几微克。已有一些研究证明了塑料渗滤液对海洋中浮游生物的影响。近期有研究表明塑料渗滤液对于海洋中光合细菌的生存同样造成了严重的影响。

首先分别使用购物袋（成分为HDPE），和塑料垫（成分为PVC）制作渗滤液，研究渗滤液对两株原球菌（MIT9312和NATL2A）生长的影响，结果如图1，原球菌MIT9312和NATL2A的生长均受到损害。MIT9312对HDPE和PVC浸出液的响应比NATL2A更快。在MIT9312中，与对照相比，所有测试的HDPE和PVC浸出液稀释液在48h时均观察到显著（p<0.01）种群减少，而在NATL2A中，只有48h时最浓的HDPE和PVC浸出液与对照显著不同。暴露72小时后，在测试的所有HDPE和PVC渗滤液水平下，两种菌株的种群密度均降低。对于每种塑料，较高的渗滤液浓度会导致种群密度的更大降低，这表明渗滤液的暴露以剂量依赖的方式影响细胞种群。

图1

除了细胞生长的影响之外，测量了不同浓度渗滤液下菌株PSII的有效量子产率，结果如图2。浸出液暴露对原球菌MIT9312和NATL2A的光系统II（PSII）的光化学效率也有很强的剂量依赖性影响。同样，在高密度浸出液中，光合细菌的氧气产生率也明显下降，如图3。

图2

图3

进行全局转录组分析表明，渗滤液严重影响了MIT9312的许多代谢过程，如groEL，dnaK，clpP和ftsH的转录增加。两种浸出液处理还导致大量的高光诱导家族基因产生强烈的正转录反应。同时部分基因已经显示出对特定胁迫条件的转录响应，表明它们在与光合作用有关的氧化和其他胁迫中具有作用。在MIT9312中，与初级代谢相关的基因受影响最大。与对照相比，培养于两种浸出液中的许多MIT9312碳固定相关基因的转录均大大降低。MIT9312浸出液的转录反应还涉及许多运输和细胞壁/膜相关基因的转录改变。细胞壁/膜生物合成中的许多基因在浸出液下也显示出转录的强烈降低，这也可能影响物质进出细胞的运动。

图4

此外，某些常见塑料制品中的渗滤液也可能会损害原球菌中光合作用的功能。并可能对其他重要的海洋细菌产生不利影响。这项研究为我们敲响了警钟，有必要开发出严格的风险评估体系，并严格管控塑料制品的生产与排放，以解决这一迅速发展的全球性问题。

供稿：张建

编辑：张彤 徐娅 李晓萌