海洋微塑料污染与塑料降解微生物研究进展

　　摘要: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(PolyethyleneTerephthalate，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。

　　关键词:海洋生物学;海洋微塑料;深海归宿;生态危害;生物降解;海洋微生物

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　　当前，人类社会已进入了“塑料时代”[1]。大量塑料制品的生产与使用导致塑料垃圾大量进入环境，扩散于陆地、湖泊、海岸线、大洋表面、海底乃至深渊。塑料难以降解，可能会成为地球人类纪元中的重要标记物之一。在海洋环境中，塑料因其密度小、浮力大和持久性强的特点，已在全球广泛分布，约80%的海洋固体废物是塑料垃圾[2]。目前，全球每年约有1亿多吨塑料垃圾埋进填埋场，另有约1.5亿吨进入陆地和海洋环境中[3]。据报道，中国、印度尼西亚、菲律宾、越南和斯里兰卡等是全球塑料污染最为严重的地区，被认为是海洋塑料垃圾的重要来源地[4]。到2050年，估计将有120亿吨塑料垃圾进入环境[3]。

　　1大洋深海环境中微塑料的分布特征

　　目前，全球大洋环境都有大量塑料垃圾存在，包括北大西洋[6]、南太平洋[7]、北太平洋[8-9]和东太平洋[10]。由于洋流的原因，漂浮的塑料垃圾汇集于大洋环流的中心地带，即全球5个大洋环流中心。其中，太平洋漂浮塑料的污染尤为严重[11-12]。为了认识全球海洋中现存塑料的数量，通过分析2007—2013连续6年间横跨全部5个亚热带环流，以及澳大利亚近海、孟加拉湾和地中海的24个航次调查结果，Eriksen等(2014)报道结果表明，仅在全球大洋表层，漂浮塑料的数量就超过5.25万亿块，重量超过26.9万吨;同时也发现，大洋表层漂浮的塑料主要以毫米尺寸的为主(<5mm)，20cm以上的漂浮塑料虽然块数不多，但是却占总重量的75%以上[13]。

　　塑料进入海洋后，会逐渐碎片化，成为毫米级大小的微塑料，并在海洋环境中累积[2]。海洋微塑料(MarineMicroplastics，MP)是指直径5mm以下的塑料碎片。微塑料是大洋中塑料的主要存在形式，且大部分小于1mm[14-15]。以西班牙为主的科学家团队通过航次调查分析了全球3070个大洋采样资料，发现全球大洋样品中微塑料发现率高达88%，全球大洋表面的微塑料大约有0.7万～3.5万吨，但这个数量远远低于预计的塑料入海量(每年约800万吨)[16]。

　　最近，中国科学院深海科学与工程研究所彭晓彤研究员团队，在对马里亚纳海沟挑战者深渊的微塑料调查中发现，在马里亚纳海沟2673～10908m深的底层海水中，微塑料含量为2.06～13.51个/dm3，比开放大洋表层及次表层水中微塑料的含量高出数倍;在马里亚纳海沟5108～10908m深的表层沉积物中，微塑料含量为200～2200个/dm3，也明显高于大多数深海表层沉积物中的含量[17]。此外，极地海冰也是微塑料的一个重要承载地，虽不像深海海底是一个长期储藏之地，但随着融冰导致的可能转运，会对海洋环境带来更大影响[18]。因此，微塑料是大洋中塑料污染的主要存在形式，且在全球海洋广泛分布。

　　2我国近海微塑料污染概况与环境分布调查

　　中国被认为是海洋塑料垃圾的重要来源地之一[5]。有研究认为，全球的海洋塑料垃圾中，中国的塑料垃圾排放量占总量的28%，是最大“贡献国”。我国是塑料制品生产和消费大国，产量约占全球塑料总产量的25%。2018年以前，我国还是世界上塑料垃圾的最大进口国。据报道，自1992年以来，发达国家向中国转移的塑料废弃物共计1.06亿吨，约占全球总量的45.1%，如算上经香港转口到内地的塑料垃圾，那么中国在26年间共接收了全世界共约72.4%的塑料垃圾[19]。

　　虽然，自2018年1月起，我国政府禁止了一切洋垃圾的进口，但已进入环境的塑料垃圾，其影响将会持续。相比于世界上其他国家，特别是发达国家，我国近海正遭受较严重的塑料污染。华东师范大学率先开展了长江口及邻近东海中海洋漂浮微塑料污染的调查，结果表明，长江口(4137.3±2461.5个/m3)中塑料丰度远高于邻近的东海(0.167±0.138个/m3)，微塑料主要是以纤维、颗粒和膜的形式存在[20]。中科院烟台海岸带研究所的Zhao等(2018)在调查渤海和黄海沉积物中的微塑料污染状况后发现，微塑料的主要形式是人造纤维(Rayon，RY)、聚乙烯(Polyethylene，PE)和PET的纤维或颗粒[21]。在广东省的近岸，海洋微塑料主要为聚苯乙烯(Polystyrene，PS)泡沫[22]。

　　厦门大学的Cai等(2018)报道，在南海海水中微塑料的丰度高达2569个/m3，其中聚酯树脂(22.5%)和聚己内酯(20.9%)几乎占总聚合物含量的一半[23]。在厦门近海，表层海水中微塑料含量高达2017个/m3，沉积物中高达333个/kg[24]。相较而言，除澳大利亚、美国加利福利亚和西地中海海域中微塑料的丰度较低外，其他国家的近海海水和沙滩中均能检出较高丰度的微塑料，同时考虑到因全球大洋环流影响，而在环流中心聚集而成的垃圾带，因此塑料污染成为目前人类不得不面对的一个较为急迫的环境问题。

　　3塑料的深远海环境归宿与生态风险

　　塑料类垃圾能够在自然界中长时间停留，已经成为公认的“白色污染”，并对生态环境构成了严重威胁。鉴于此，Rochman等(2013)在《Nature》上发文建议将塑料列为有害废物[31]。塑料进入大洋后，其最终的归宿目前仍是一个悬而未决的问题。目前通常认为，一部分塑料可能被生物附着后导致重量的增加，进而沉入海底，一部分可能被海洋动物摄食，还有一部分可能被光解或微生物降解[16，32]。但化学家认为，塑料难以被微生物降解，因此海洋中大量去向不明的塑料，不太可能是被微生物降解掉了[33]。

　　海底沉积物可能是微塑料长期的汇集地[16，34]。自2004年，首次在潮间带海洋沉积物中发现微塑料以来[35]，全球海洋沉积物中都已经报道有微塑料的存在[36-37]。研究发现，大洋水体中悬浮的一部分微塑料，被浮游动物当作食物误食后，会随其粪团沉入海底，这可能是海水中微塑料向海底沉积的途径之一[38]。目前普遍认为，深海是微塑料垃圾的主要汇集之地[13，34，39-41]。而且，深海沉积物中塑料污染不能被紫外线光解，只能依靠生物的降解，因此，微塑料在海底存留的时间相对更长[42]。从长远看，微塑料的微生物降解过程，关系到底栖生物与海底生态环境的健康与安全。因此，海洋塑料的环境归宿成为一个值得研究的问题[2，43]。

　　目前，每年都有约800万吨塑料流入海洋，且预计到2025年，这一数字会增加22%[5]。太平洋海域塑料的清理速度远不及它的“堆积”速度，目前许多塑料正在逐渐下沉，最终将在海底或海洋深处造成更严重的环境污染和生态风险。微塑料对深海生态环境的危害可能大于大块的塑料。微塑料对海洋底栖生物、浮游动物乃至沉积物环境，在不同环境尺度上都有影响，比如从细胞、组织、个体到生态环境[44-47]。例如，聚苯乙烯微塑料对牡蛎摄食及生殖功能有显著影响[48]。目前，微塑料对深海生态系统影响的研究报道较少。但已有的少量报道显示，从多个重要动物目的深海动物体内都发现了微塑料，这表明即使是远离人类活动的深海生态环境，也受到了微塑料的威胁[49]。微塑料对海洋生态的危害、风险及其在海洋环境中的最终归宿，亟需研究与评估[50]，并且，微塑料对深海生态环境的影响与危害有待更深入的研究。

　　除塑料本身的主要成分外，塑料中添加剂的环境污染也值得关注。塑料本质上是个合成的混合物，为了增加塑料的可塑性，在塑料的合成过程中往往会添加一些增塑剂。这些增塑剂通常具有环境激素的生态毒害效应，在塑料降解过程中，增塑剂会被释放到海洋环境中。目前，全世界在用的增塑剂大概有100余种，其中，邻苯二甲酸酯(PhthalicAcidEster，PAEs)是全球用量最大的种类，约占全球增塑剂市场的85%。PAEs被认为是当前塑料产业的一个主要污染源，其主要的危害在于环境激素毒性，美国、欧盟以及我国都已把这类物质列为环境优先控制污染物。此外，塑料垃圾在环境“穿越”过程中可吸附其他污染物，如多环芳烃和重金属等，它们已成为国际社会高度关注的海洋有害废物[31，51]。因此，吸附了其他环境污染物的微塑料，加剧了它们的生态环境风险。

　　4塑料降解微生物多样性研究

　　对于环境中的塑料垃圾，可通过回收利用或加速原位降解的策略，来减少环境存量。目前，国际社会制定的塑料垃圾治理目标是，到2050年的回收率要达到35%;同时，2019年6月，在日本大阪召开的二十国集团领导人第十四次峰会上通过的《大阪宣言》中，一致通过“蓝色海洋愿景”计划，目标在2050年之前，与会各国实现海洋塑料垃圾“零排放”。欧盟正在启动“塑料战略”，计划削减一次性塑料袋的使用，建立一个新的循环经济，并设置了“环境修复中的生物技术创新”计划(NewBiotechnologiesforEnvironmentalRemediation)，其中一项重要的内容即是，建立用于难降解塑料和可降解塑料生物降解的生物技术(CE-BIOTEC-05-2019)，通过利用微生物及其酶来处理塑料垃圾并加以回收利用，解决可持续发展问题[52]。在海洋塑料垃圾治理方面，海洋微生物降解被认为是可能的有效途径[14]，特别是在塑料垃圾集中的区域，若能找到并利用高效的塑料降解菌，将是一种环境安全且可行的途径[53]。但是，目前有关海洋塑料降解微生物的研究报道并不多，且国内还没有相关报道。

　　目前，对塑料降解微生物的研究主要集中于陆地环境，而海洋来源的研究也仅局限于近海。在陆地环境中，已报道的塑料降解菌包含了30多个属的细菌和真菌，它们主要为PE和PET降解菌，包括土壤来源的PE降解菌:芽孢杆菌属(Bacillus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)[54]、无色菌属(Achromobacter)[55]、丛毛单胞菌属(Comamonas)、代尔夫特菌属(Delftia)与寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)[56];分离自垃圾填埋场的PE降解菌:芽孢杆菌与类芽孢杆菌属(Paenibacillus)[57];PS降解菌:赤红球菌(Rhodococcusruber)[58]。其他塑料降解菌还有波茨坦短芽胞杆菌(Brevibacillusborstelensis)、链霉菌属(Streptomyces)、施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri)与粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)[14]，以及聚氯乙烯(PolyvinylChloride，PVC)塑料的降解菌:恶臭假单胞菌(Pseudomonasputida)[59]。目前已发现多种PET降解菌，如从土壤分离的嗜热裂孢菌(Thermobifidafusca)[60]，从印度孟买不同类型土壤中分离的真菌黑曲霉(Aspergillusniger)，以及细菌绿脓假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)以及酿脓链球菌(Streptococcuspyogene)[61]。

　　特别值得注意的是，日本科学家Yoshida等(2016)从PET塑料瓶回收点的250个土壤样品中，分离到了一株高效的PET降解细菌坂井艾德昂菌(Ideonellasakaiensis)，并解析了该菌的代谢途径，鉴定了关键降解酶，发现该菌能将PET薄膜完全降解为单体对苯二甲酸和乙二醇，为PET的循环利用提供了希望[62-63]。遗憾的是，Yoshida等人研究中所使用的塑料不是商品化PET塑料瓶，而是低结晶度的PET薄膜材料，该材料相对容易降解，而且也没有测定降解效率，所以这株菌可能没有真正的应用前景[64]。聚氨酯(Polyurethane，PUR)降解似乎是真菌的专长，已报道的降解菌有丝状真菌及酵母菌，包括塔宾曲霉(Aspergillustubingensis)、南极假丝酵母(Candidaantarctica)、嗜酒假丝酵母(Candidaethanolica)、塞内加尔弯孢霉(Curvulariasenegalensis)、茄病镰刀菌(Fusariumsolani)和出芽短梗霉菌(Aureobasidiumpullulans)等，它们主要发现于堆肥环境，有的可以耐受50℃高温[65]。其中，降解聚氨基甲酸酯的塔宾曲霉菌，是中科院昆明植物研究所许建初研究组与巴基斯坦研究人员共同发现的[66]。

　　在国内，杨军等(2014)发现印度谷螟(Plodiainterpunctella)能够咀嚼食用PE塑料，但塑料的降解实际是其肠道内的两种微生物阿氏肠杆菌(Enterobacterasburiae)和芽孢杆菌[67];随后又发现黄粉虫(Tenebriomolitor)可以利用肠道中的微小杆菌(Exiguobacterium)来降解PS塑料泡沫[68-69]。有意思的是，最近韩国科学家发现，海洋多毛类动物Marphysasanguinea可以啃食PS塑料泡沫，产生微塑料[70]。在寡营养的深海环境中，海洋软体动物肠道内是否存在能够降解塑料的微生物值得关注。

　　目前，有关海洋PE降解菌的报道很少[71]。截止目前，海洋塑料的微生物降解研究主要是印度科学家在近海开展的一些富集分离工作，但在降解酶和代谢机制方面的研究还未见报道。印度科学家在近海港口及渔业调查航次中，开展了聚乙烯(PE)和聚丙烯(Polypropylene，PP)塑料降解菌的富集，从水体中分离到一株有明显降解能力的菌株，鉴定为假单胞菌[72]。另有印度科学家从阿拉伯海近岸水体中也分离到了不同种类的PE降解菌，包括沼泽考克氏菌(Kocuriapalustris)、短小芽孢杆菌(Bacilluspumilus)与枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)[73]。最近，印度科学家利用分离自古吉拉特邦近海的一株芽孢杆菌处理塑料90d后，通过重量测定、微生物代谢活性和原子力显微镜观察等手段，证明了该菌能够降解PE与PVC塑料[74]。

　　5塑料降解酶与降解机制研究动态

　　塑料聚合物主要是被生物胞外酶解聚成短链或小分子物质，随后被转运到细胞内被彻底氧化。细菌可产生多种胞外酶来降解塑料大分子，如脂酶(lipases)、解聚酶、酯酶、蛋白酶K(能降解聚乳酸)、角质酶(cutinase)、脲酶和脱水酶等[80]。为认识全球不同海洋与陆地环境中PET水解酶的多样性与分布特征，德国汉堡大学Streit教授团队对108个海洋和25个陆地来源的宏基因组进行了分析，发现了504个潜在的PET降解酶新酶，它们主要来自于放线菌门、变形杆菌门和拟杆菌门的微生物[81]。通过研究还获得了PET水解酶全球分布特征、系统发育关系与进化过程等信息，发现海洋与陆地环境中PET水解酶在系统发育上有分化;还发现PET水解酶在环境中并不是广泛分布，但在石油污染环境中的出现率最高。

　　此外，他们还描述了4种新PET水解酶的生化特征[81]。奥地利维也纳环境生物技术研究所的Guebitz教授团队，在塑料聚合物活性酶的筛选、基因改造和工业应用方面开展了较深入的研究，并在酶促回收、酶功能化和塑料(包括聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯)再循环领域获得了10项专利，还从自然环境中(如苔藓共附生微生物)寻找聚酯酶(Polyesterases)[82]，此外，还利用基因融合等手段对已知的PET水解酶进行改造[83]。最近，国内外在PET降解酶的结构与功能研究方面有了较大进展。韩国学者在对一个名为IsPETase的PET降解酶的晶体结构解析后发现，其具有一个由Ser-His-Asp3个氨基酸残基组成的催化活性中心[84]。

　　我国科学家通过定点突变，也证实了这3个氨基酸残基是催化PET降解过程中的活性中心[85]。晶体结构解析还发现C176～C212形成的二硫桥对IsPETase的稳定性和柔韧性具有重要作用，如果突变这两个半胱氨酸残基将影响该酶的活性[86]。英国学者在对PET降解酶的结构解析后发现，该类酶同时具有两种酶的结构特征(角质酶和脂酶)，并预测通过蛋白质工程可以进一步改造，提高该酶对塑料降解的实用性[87]。

　　6深海是塑料降解菌与降解酶基因新资源的重要来源地

　　深海中存在多种天然多聚物，包括各种动植物来源的甲壳质、几丁质、木质素、肽聚糖等，而且上层水体难降解的多聚物常常以“海雪”(marinesnow)颗粒物形式沉积到海底，因此大洋深海是发现塑料等各类难降解大分子多聚物降解菌的天然场所[88-90]。最新的研究显示，在大洋洋底深部沉积物中，微生物主要以生物膜的形式存在[91]。类似地，在塑料生物降解过程中，第一步即是微生物在塑料表面附着定植，随后形成生物膜。大洋深海中的塑料为微生物提供了一个栖息地，同时也为微生物提供了稀缺的碳源与能源。

　　7展望

　　从深远海各种特殊极端环境或海洋微生物菌株库藏资源中，筛选获得高效降解菌是当前的一项重要任务。我国已在深海和极地生物多样性调查研究与资源开发利用方面，开展了大量工作，并建立了中国海洋微生物菌种保藏中心。获得高效降解菌与降解酶，并根据实际需求对降解菌及相关基因进行改造，必将推动塑料的循环利用，并有助于遏制塑料垃圾对海洋生态环境的进一步污染。另一方面，微塑料作为一种颗粒有机物，对海洋生物地球化学循环有什么影响?海洋微生物如何影响塑料在海洋环境中的归宿?要回答这些问题，也需要认识深海等各种海洋环境中塑料降解菌的多样性与活性。目前，海洋微塑料污染的调查已作为业务化工作，列入了我国每年大洋与极地科学调查的航次任务中。如何整合环境生态调查与塑料降解微生物的研究，提升我国在相关领域的国际影响力，需要多个学科及航次组织实施方的共同努力。

　　参考文献:

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　　[2]BARNESDK，GALGANIF，THOMPSONRC，etal.Accumulationandfragmentationofplasticdebrisinglobalenvironments[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondonSeriesB，BiologicalSciences，2009，364(1526):1985-1998.