《Science of The Total Environment》：Substrate-specific bacterial and fungal communities in the Jukskei River plastisphere revealed by full-length amplicon sequencing
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塑料污染在水生生态系统中不断升级的危机创造了一个新的生态位，称为塑料际（plastisphere），微生物群落定殖于塑料表面，影响生物地球化学循环、污染物降解和生态系统健康。尽管全球范围内对塑料际进行了研究，但在亚热带、富营养化的非洲城市河流中的研究仍然稀缺，
塑料污染在水生生态系统中不断升级的危机创造了一个新的生态位，称为塑料际（plastisphere），微生物群落定殖于塑料表面，影响生物地球化学循环、污染物降解和生态系统健康。尽管全球范围内对塑料际进行了研究，但在亚热带、富营养化的非洲城市河流中的研究仍然稀缺，限制了对污染淡水系统中底物特异性微生物组装和生物修复潜力的理解。Jukskei River中的塑料碎片在聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）表面宿主着不同的细菌和真菌群落。衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）揭示了氧化风化（羰基指数0.08–0.28）。靶向扩增子测序（通过PacBio HiFi的全长16S rRNA和ITS区域）展示了底物特异性的群落组成（PERMANOVA，伪-F{1,8}=3.45，R2=0.40，p<0.01），其中PE支持更高的属水平均匀度和分类群如Romboutsia、Cutibacterium和Sphingomonas，而PS则以更高丰度的Lactococcus、Clostridium sensu stricto和乳酸菌为特征。低丰度的潜在病原菌（属水平：Escherichia-Shigella、Streptococcus）与富营养化指标（BOD?、硝酸盐）和镉显示出统计学显著的相关性，尽管未建立因果关系。此外，所使用的扩增子方法无法确认物种水平分辨率和毒力潜力。PICRUSt2和FUNGuild预测表明存在广泛分布的代谢通路和生态功能群，但这些推断并不构成活跃的塑料生物降解或特定生态作用的证据。本研究首次提供了对受污染的非洲城市河流中塑料际的基于扩增子的特征描述，揭示了底物驱动的细菌组装模式，并强调了未来功能验证以评估生物修复潜力和公共健康风险的必要性。
**研究背景、问题与意义**
塑料污染在水生生态系统中日益严峻，催生了一个新的生态位——塑料际（plastisphere，即微生物在塑料表面定殖形成的微生态系统），其微生物群落影响生物地球化学循环、污染物降解及生态系统健康。全球塑料际研究多集中于海洋和温带淡水系统，但在亚热带、富营养化的非洲城市河流中尚属空白。Jukskei River（南非约翰内斯堡的城市河道）受到聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）塑料碎片的严重污染，其水质恶化（如生化需氧量BOD?高、缺氧、重金属污染），但塑料际微生物组未被系统研究。因此，该研究旨在首次通过全长扩增子测序表征Jukskei River塑料际中底物特异性的细菌和真菌群落，评估环境风化程度，并为潜在生物修复和公共健康风险提供基线。
**研究内容与结论**
研究人员于干季在Jukskei River 5公里河段采集5个PE碎片和5个PS碎片，每份作为独立生物学重复。通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析风化状态，靶向全长16S rRNA基因（V1–V9）和ITS区域进行PacBio HiFi扩增子测序，结合PICRUSt2和FUNGuild进行功能预测，并使用Spearman相关和网络分析研究群落互作。主要结论：PE和PS表面细菌群落组成显著差异（PERMANOVA，伪-F
{1,8}=3.45，R2=0.40，p=0.008），PE富集Romboutsia、Cutibacterium、Sphingomonas等需氧降解菌，PS富集Lactococcus、Clostridium sensu stricto等厌氧/兼性菌；真菌群落受底物影响不显著，主要受环境因子（营养、污染）驱动；低丰度潜在病原菌（Escherichia-Shigella、Streptococcus）与BOD?、硝酸盐和镉呈正相关；功能预测显示广泛代谢途径，但无直接塑料降解证据。该研究填补了非洲城市河流塑料际的空白，为后续多组学功能验证奠定基础。论文发表在《Science of The Total Environment》。
**关键技术与方法**
关键技术方法包括：（1）样本采集：于南非Jukskei River干季采集5份聚乙烯（PE）和5份聚苯乙烯（PS）塑料碎片，每份经无菌处理保存于磷酸盐缓冲液（PBS）；（2）ATR-FTIR光谱分析：评估聚合物氧化风化程度，计算羰基指数（0.08–0.28）；（3）全长16S rRNA/ITS靶向扩增子测序：使用PacBio Sequel IIe系统生成高保真（HiFi）读段，经DADA2去噪为扩增子序列变体（ASVs），分别注释于SILVA v138（细菌）和UNITE v8.3（真菌）数据库；（4）功能预测：PICRUSt2推断细菌KEGG代谢通路（NSTI<0.15）；FUNGuild指派真菌生态功能群；（5）网络分析：细菌基于Spearman相关（|ρ|>0.6，FDR p<0.05），真菌基于Jaccard相似性（>0.5）构建共现网络。
**研究结果**
**3.1 FTIR demonstrates PS and PE environmental degradation**
ATR-FTIR光谱显示，PE和PS碎片均存在氧化风化，PS表面羰基指数（均值0.21±0.05）显著高于PE（均值0.14±0.04）（独立样本t检验，t?=2.45，p=0.040）。PS出现宽OH带（3400 cm?1）、C=O峰（1715 cm?1）及C-O拉伸（1100–1300 cm?1）；PE出现强化C=O峰（1710 cm?1）及OH带（3200–3600 cm?1）。这些变化主要源于非生物过程（光氧化、水解、机械磨损），不能归因于微生物降解。
**3.2 Bacteria**
**3.2.1 细菌属分布**：PE样本具有更高的属级丰富度和均匀度，优势属包括Romboutsia（PE03达44%）、Cutibacterium（PE01达46%）、Sphingomonas（PE01达24%）；PS样本则富集Lactococcus、Clostridium sensu stricto、Enterococcus等乳酸菌。主坐标分析（PCoA）基于Bray-Curtis距离显示PE与PS显著分离，PERMANOVA证实塑料类型解释40%的群落变异。网络分析表明，Romboutsia为枢纽属，与多个降解菌正相关。
**3.2.2 预测代谢通路（PICRUSt2）**：预测显示肽聚糖生物合成、苯甲酸降解等通路广泛分布，但PE和PS间无显著差异通路（FDR校正后p>0.05）。这些预测仅反映基因组潜力，不证明活性表达或塑料降解。
**3.2.3 潜在病原菌**：Escherichia-Shigella、Streptococcus等低丰度属在PS上更为丰富，与BOD?（ρ=0.52, p<0.01）、硝酸盐（ρ=0.38, p<0.05）和镉（ρ=0.41, p<0.05）显著相关，但属级分辨率无法确认致病性。
**3.3 Fungal genera distribution across the plastisphere**
真菌α多样性在PE样本（PE04、PE05）和PS02较高，PS04最低（Shannon指数0.69）。优势真菌包括Agaricomycetes、Eurotiomycetes、Aspergillus等。β多样性分析（Bray-Curtis PCoA）未显示PE与PS的明显分离，表明真菌群落受环境因子（营养、污染）影响大于底物类型。
**3.3.1 真菌β多样性**：高多样性样本（PE04、PE05）聚类较近，PS04为离群值，反映早期定殖或环境胁迫。Bray-Curtis热图确认PS04与其他样本高度不相似。
**3.3.2 真菌互作与功能**：共现网络显示Hydnodontaceae、Agaricomycetes、Aspergillus terreus为核心枢纽，指示协同定殖。PS02子网络最为密集，暗示稳定群落。FUNGuild分配主要功能为腐生和病原营养型，但PE与PS间无显著差异。
**3.3.3 真菌预测基因**：推断的漆酶、酯酶、过氧化物酶等基因在PE和PS上均有分布，PS02中污染物代谢基因较高，但需直接验证。
**3.4 Links between bacteria, fungi, and pH**
塑料际中细菌和真菌共存，优势细菌（Romboutsia、Sphingomonas）与真菌（Agaricomycetes、Ascomycota）在相同pH范围（7.18–7.92）内共存，PE和PS分别选择不同的多域组合，但无直接竞争证据。
**3.5 Comparison to physicochemical baselines in the Jukskei River**
河流低溶解氧（DO<3 mg/L）与需氧菌丰度负相关（ρ=-0.68, p<0.01），促进厌氧Firmicutes；高BOD?和硝酸盐富集Sphingomonas；镉等重金属可能共选择抗生素抗性基因（ARGs）。下游污染加剧导致病原菌丰度升高。
**3.6 Study limitations**
本研究样本量有限（n=5/底物），仅反映干季、单一河段情况，无法推广到季节和空间变化；扩增子测序局限于属级分辨率，无法评估种级致病性和功能活性；功能预测和相对丰度分析存在组成性偏差，未来需结合绝对定量、鸟枪法宏基因组学和实验验证。
**结论**
本研究首次对非洲城市河流（Jukskei River）中聚乙烯和聚苯乙烯碎片上的细菌和真菌群落进行了基于扩增子的表征。主要发现是细菌群落具有明显的底物特异性结构：PS表面富集厌氧/兼性类群（Lactococcus、Clostridium sensu stricto、乳酸菌），而PE表面支持更高的属级均匀度和更多代表属（Romboutsia、Cutibacterium、Sphingomonas）。这些组成差异（PERMANOVA，伪-F
{1,8}=3.45，R2=0.40，p=0.008）具有统计学显著性。仅在FDR校正后，丰富度和Shannon指数仍显著，而底物间α多样性差异更为细微。这些趋势与两种聚合物在表面疏水性和氧扩散方面的物理化学差异一致，与先前淡水和海水塑料际研究相符。本研究未获得塑料生物降解或生物修复活性的直接证据。尽管已知包含机会病原菌的属（Escherichia-Shigella、Streptococcus）与富营养化指标和重金属存在相关性，但由于16S rRNA扩增子测序的属级分辨率，无法推断致病菌种或毒力潜力。同样，PICRUSt2和FUNGuild的功能预测仅揭示广泛分布的代谢通路和生态功能群，无法得出关于活性塑料降解、污染物转化或生物膜特化的结论。因此，本研究的主要贡献在于记录了一个严重污染的非洲城市河流中底物驱动的分类差异，将塑料际研究从海洋和温带淡水系统扩展到亚热带高度富营养化的环境。这些基线分类谱为未来的靶向研究（包括鸟枪法宏基因组学、菌株分离、酶学分析和微宇宙降解实验）提供了基础，以确定所观察到的群落是否具有真正的生物修复潜力，或在城市水道中作为机会病原菌的储库。
