摘要:塑料垃圾在近海、大洋水體和沉積物中均廣泛存在，并不斷累積，對海洋生態系統構成了重大威脅，引起了國際社會的高度關注。本研究從環境生態和塑料降解微生物兩個角度回顧了近幾年相關方向上的研究進展，包括國內外海洋塑料特別是海洋微塑料在近海與深海等環境中的分布與豐度，以及近海、大洋等環境中降解菌多樣性及其降解機制�？傮w而言，微塑料廣泛分布在多種海洋環境，特別是在河口和近海的海水和沉積物，近岸沙灘，以及大洋環流中心;目前已報道的塑料降解菌及其降解酶主要來自陸地土壤和塑料垃圾處理環境，并以聚對苯二甲酸乙二酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)降解菌和降解酶的研究最為深入。當前，中國科學家已在近海、大洋深海(深淵)以及極地等大洋環境中，開展了微塑料分布特征和豐度調查，并在生態危害方面開展了研究，但在海洋塑料降解微生物方面還鮮有報道。塑料在海洋環境中的最終歸宿以及微生物在塑料降解過程中的作用亟待評估，建議在大洋深海科考中整體布局、聯合開展這兩個方面的相關研究。

　　關鍵詞:海洋生物學;海洋微塑料;深海歸宿;生態危害;生物降解;海洋微生物

　　海洋從業人員投稿刊物：《海洋與漁業》ocean and fishery(月刊)創刊于2000年，是全國公開發行的科技期刊，是水產行業內具有實用性、權威性的科普與資訊的期刊。以傳播價值資訊、聚集行業熱點、交流實用技術、共享創富智慧為己任，受到水產養殖戶、技術員、合作社、協會及企業管理者等專業人員的熱烈歡迎。

　　當前，人類社會已進入了“塑料時代”[1]。大量塑料制品的生產與使用導致塑料垃圾大量進入環境，擴散于陸地、湖泊、海岸線、大洋表面、海底乃至深淵。塑料難以降解，可能會成為地球人類紀元中的重要標記物之一。在海洋環境中，塑料因其密度小、浮力大和持久性強的特點，已在全球廣泛分布，約80%的海洋固體廢物是塑料垃圾[2]。目前，全球每年約有1億多噸塑料垃圾埋進填埋場，另有約1.5億噸進入陸地和海洋環境中[3]。據報道，中國、印度尼西亞、菲律賓、越南和斯里蘭卡等是全球塑料污染最為嚴重的地區，被認為是海洋塑料垃圾的重要來源地[4]。到2050年，估計將有120億噸塑料垃圾進入環境[3]。

　　1大洋深海環境中微塑料的分布特征

　　目前，全球大洋環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]和東太平洋[10]。由于洋流的原因，漂浮的塑料垃圾匯集于大洋環流的中心地帶，即全球5個大洋環流中心。其中，太平洋漂浮塑料的污染尤為嚴重[11-12]。為了認識全球海洋中現存塑料的數量，通過分析2007—2013連續6年間橫跨全部5個亞熱帶環流，以及澳大利亞近海、孟加拉灣和地中海的24個航次調查結果，Eriksen等(2014)報道結果表明，僅在全球大洋表層，漂浮塑料的數量就超過5.25萬億塊，重量超過26.9萬噸;同時也發現，大洋表層漂浮的塑料主要以毫米尺寸的為主(<5mm)，20cm以上的漂浮塑料雖然塊數不多，但是卻占總重量的75%以上[13]。

　　塑料進入海洋后，會逐漸碎片化，成為毫米級大小的微塑料，并在海洋環境中累積[2]。海洋微塑料(MarineMicroplastics，MP)是指直徑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]。以西班牙為主的科學家團隊通過航次調查分析了全球3070個大洋采樣資料，發現全球大洋樣品中微塑料發現率高達88%，全球大洋表面的微塑料大約有0.7萬～3.5萬噸，但這個數量遠遠低于預計的塑料入海量(每年約800萬噸)[16]。

　　最近，中國科學院深�？茖W與工程研究所彭曉彤研究員團隊，在對馬里亞納海溝挑戰者深淵的微塑料調查中發現，在馬里亞納海溝2673～10908m深的底層海水中，微塑料含量為2.06～13.51個/dm3，比開放大洋表層及次表層水中微塑料的含量高出數倍;在馬里亞納海溝5108～10908m深的表層沉積物中，微塑料含量為200～2200個/dm3，也明顯高于大多數深海表層沉積物中的含量[17]。此外，極地海冰也是微塑料的一個重要承載地，雖不像深海海底是一個長期儲藏之地，但隨著融冰導致的可能轉運，會對海洋環境帶來更大影響[18]。因此，微塑料是大洋中塑料污染的主要存在形式，且在全球海洋廣泛分布。

　　2我國近海微塑料污染概況與環境分布調查

　　中國被認為是海洋塑料垃圾的重要來源地之一[5]。有研究認為，全球的海洋塑料垃圾中，中國的塑料垃圾排放量占總量的28%，是最大“貢獻國”。我國是塑料制品生產和消費大國，產量約占全球塑料總產量的25%。2018年以前，我國還是世界上塑料垃圾的最大進口國。據報道，自1992年以來，發達國家向中國轉移的塑料廢棄物共計1.06億噸，約占全球總量的45.1%，如算上經香港轉口到內地的塑料垃圾，那么中國在26年間共接收了全世界共約72.4%的塑料垃圾[19]。

　　雖然，自2018年1月起，我國政府禁止了一切洋垃圾的進口，但已進入環境的塑料垃圾，其影響將會持續。相比于世界上其他國家，特別是發達國家，我國近海正遭受較嚴重的塑料污染。華東師范大學率先開展了長江口及鄰近東海中海洋漂浮微塑料污染的調查，結果表明，長江口(4137.3±2461.5個/m3)中塑料豐度遠高于鄰近的東海(0.167±0.138個/m3)，微塑料主要是以纖維、顆粒和膜的形式存在[20]。中科院煙臺海岸帶研究所的Zhao等(2018)在調查渤海和黃海沉積物中的微塑料污染狀況后發現，微塑料的主要形式是人造纖維(Rayon，RY)、聚乙烯(Polyethylene，PE)和PET的纖維或顆粒[21]。在廣東省的近岸，海洋微塑料主要為聚苯乙烯(Polystyrene，PS)泡沫[22]。

　　廈門大學的Cai等(2018)報道，在南海海水中微塑料的豐度高達2569個/m3，其中聚酯樹脂(22.5%)和聚己內酯(20.9%)幾乎占總聚合物含量的一半[23]。在廈門近海，表層海水中微塑料含量高達2017個/m3，沉積物中高達333個/kg[24]。相較而言，除澳大利亞、美國加利福利亞和西地中海海域中微塑料的豐度較低外，其他國家的近海海水和沙灘中均能檢出較高豐度的微塑料，同時考慮到因全球大洋環流影響，而在環流中心聚集而成的垃圾帶，因此塑料污染成為目前人類不得不面對的一個較為急迫的環境問題。

　　3塑料的深遠海環境歸宿與生態風險

　　塑料類垃圾能夠在自然界中長時間停留，已經成為公認的“白色污染”，并對生態環境構成了嚴重威脅。鑒于此，Rochman等(2013)在《Nature》上發文建議將塑料列為有害廢物[31]。塑料進入大洋后，其最終的歸宿目前仍是一個懸而未決的問題。目前通常認為，一部分塑料可能被生物附著后導致重量的增加，進而沉入海底，一部分可能被海洋動物攝食，還有一部分可能被光解或微生物降解[16，32]。但化學家認為，塑料難以被微生物降解，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]。

　　海底沉積物可能是微塑料長期的匯集地[16，34]。自2004年，首次在潮間帶海洋沉積物中發現微塑料以來[35]，全球海洋沉積物中都已經報道有微塑料的存在[36-37]。研究發現，大洋水體中懸浮的一部分微塑料，被浮游動物當作食物誤食后，會隨其糞團沉入海底，這可能是海水中微塑料向海底沉積的途徑之一[38]。目前普遍認為，深海是微塑料垃圾的主要匯集之地[13，34，39-41]。而且，深海沉積物中塑料污染不能被紫外線光解，只能依靠生物的降解，因此，微塑料在海底存留的時間相對更長[42]。從長遠看，微塑料的微生物降解過程，關系到底棲生物與海底生態環境的健康與安全。因此，海洋塑料的環境歸宿成為一個值得研究的問題[2，43]。

　　目前，每年都有約800萬噸塑料流入海洋，且預計到2025年，這一數字會增加22%[5]。太平洋海域塑料的清理速度遠不及它的“堆積”速度，目前許多塑料正在逐漸下沉，最終將在海底或海洋深處造成更嚴重的環境污染和生態風險。微塑料對深海生態環境的危害可能大于大塊的塑料。微塑料對海洋底棲生物、浮游動物乃至沉積物環境，在不同環境尺度上都有影響，比如從細胞、組織、個體到生態環境[44-47]。例如，聚苯乙烯微塑料對牡蠣攝食及生殖功能有顯著影響[48]。目前，微塑料對深海生態系統影響的研究報道較少。但已有的少量報道顯示，從多個重要動物目的深海動物體內都發現了微塑料，這表明即使是遠離人類活動的深海生態環境，也受到了微塑料的威脅[49]。微塑料對海洋生態的危害、風險及其在海洋環境中的最終歸宿，亟需研究與評估[50]，并且，微塑料對深海生態環境的影響與危害有待更深入的研究。

　　除塑料本身的主要成分外，塑料中添加劑的環境污染也值得關注。塑料本質上是個合成的混合物，為了增加塑料的可塑性，在塑料的合成過程中往往會添加一些增塑劑。這些增塑劑通常具有環境激素的生態毒害效應，在塑料降解過程中，增塑劑會被釋放到海洋環境中。目前，全世界在用的增塑劑大概有100余種，其中，鄰苯二甲酸酯(PhthalicAcidEster，PAEs)是全球用量最大的種類，約占全球增塑劑市場的85%。PAEs被認為是當前塑料產業的一個主要污染源，其主要的危害在于環境激素毒性，美國、歐盟以及我國都已把這類物質列為環境優先控制污染物。此外，塑料垃圾在環境“穿越”過程中可吸附其他污染物，如多環芳烴和重金屬等，它們已成為國際社會高度關注的海洋有害廢物[31，51]。因此，吸附了其他環境污染物的微塑料，加劇了它們的生態環境風險。

　　4塑料降解微生物多樣性研究

　　對于環境中的塑料垃圾，可通過回收利用或加速原位降解的策略，來減少環境存量。目前，國際社會制定的塑料垃圾治理目標是，到2050年的回收率要達到35%;同時，2019年6月，在日本大阪召開的二十國集團領導人第十四次峰會上通過的《大阪宣言》中，一致通過“藍色海洋愿景”計劃，目標在2050年之前，與會各國實現海洋塑料垃圾“零排放”。歐盟正在啟動“塑料戰略”，計劃削減一次性塑料袋的使用，建立一個新的循環經濟，并設置了“環境修復中的生物技術創新”計劃(NewBiotechnologiesforEnvironmentalRemediation)，其中一項重要的內容即是，建立用于難降解塑料和可降解塑料生物降解的生物技術(CE-BIOTEC-05-2019)，通過利用微生物及其酶來處理塑料垃圾并加以回收利用，解決可持續發展問題[52]。在海洋塑料垃圾治理方面，海洋微生物降解被認為是可能的有效途徑[14]，特別是在塑料垃圾集中的區域，若能找到并利用高效的塑料降解菌，將是一種環境安全且可行的途徑[53]。但是，目前有關海洋塑料降解微生物的研究報道并不多，且國內還沒有相關報道。

　　目前，對塑料降解微生物的研究主要集中于陸地環境，而海洋來源的研究也僅局限于近海。在陸地環境中，已報道的塑料降解菌包含了30多個屬的細菌和真菌，它們主要為PE和PET降解菌，包括土壤來源的PE降解菌:芽孢桿菌屬(Bacillus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)[54]、無色菌屬(Achromobacter)[55]、叢毛單胞菌屬(Comamonas)、代爾夫特菌屬(Delftia)與寡養單胞菌屬(Stenotrophomonas)[56];分離自垃圾填埋場的PE降解菌:芽孢桿菌與類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)[57];PS降解菌:赤紅球菌(Rhodococcusruber)[58]。其他塑料降解菌還有波茨坦短芽胞桿菌(Brevibacillusborstelensis)、鏈霉菌屬(Streptomyces)、施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri)與糞產堿桿菌(Alcaligenesfaecalis)[14]，以及聚氯乙烯(PolyvinylChloride，PVC)塑料的降解菌:惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)[59]。目前已發現多種PET降解菌，如從土壤分離的嗜熱裂孢菌(Thermobifidafusca)[60]，從印度孟買不同類型土壤中分離的真菌黑曲霉(Aspergillusniger)，以及細菌綠膿假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)以及釀膿鏈球菌(Streptococcuspyogene)[61]。

　　特別值得注意的是，日本科學家Yoshida等(2016)從PET塑料瓶回收點的250個土壤樣品中，分離到了一株高效的PET降解細菌坂井艾德昂菌(Ideonellasakaiensis)，并解析了該菌的代謝途徑，鑒定了關鍵降解酶，發現該菌能將PET薄膜完全降解為單體對苯二甲酸和乙二醇，為PET的循環利用提供了希望[62-63]。遺憾的是，Yoshida等人研究中所使用的塑料不是商品化PET塑料瓶，而是低結晶度的PET薄膜材料，該材料相對容易降解，而且也沒有測定降解效率，所以這株菌可能沒有真正的應用前景[64]。聚氨酯(Polyurethane，PUR)降解似乎是真菌的專長，已報道的降解菌有絲狀真菌及酵母菌，包括塔賓曲霉(Aspergillustubingensis)、南極假絲酵母(Candidaantarctica)、嗜酒假絲酵母(Candidaethanolica)、塞內加爾彎孢霉(Curvulariasenegalensis)、茄病鐮刀菌(Fusariumsolani)和出芽短梗霉菌(Aureobasidiumpullulans)等，它們主要發現于堆肥環境，有的可以耐受50℃高溫[65]。其中，降解聚氨基甲酸酯的塔賓曲霉菌，是中科院昆明植物研究所許建初研究組與巴基斯坦研究人員共同發現的[66]。

　　在國內，楊軍等(2014)發現印度谷螟(Plodiainterpunctella)能夠咀嚼食用PE塑料，但塑料的降解實際是其腸道內的兩種微生物阿氏腸桿菌(Enterobacterasburiae)和芽孢桿菌[67];隨后又發現黃粉蟲(Tenebriomolitor)可以利用腸道中的微小桿菌(Exiguobacterium)來降解PS塑料泡沫[68-69]。有意思的是，最近韓國科學家發現，海洋多毛類動物Marphysasanguinea可以啃食PS塑料泡沫，產生微塑料[70]。在寡營養的深海環境中，海洋軟體動物腸道內是否存在能夠降解塑料的微生物值得關注。

　　目前，有關海洋PE降解菌的報道很少[71]。截止目前，海洋塑料的微生物降解研究主要是印度科學家在近海開展的一些富集分離工作，但在降解酶和代謝機制方面的研究還未見報道。印度科學家在近海港口及漁業調查航次中，開展了聚乙烯(PE)和聚丙烯(Polypropylene，PP)塑料降解菌的富集，從水體中分離到一株有明顯降解能力的菌株，鑒定為假單胞菌[72]。另有印度科學家從阿拉伯海近岸水體中也分離到了不同種類的PE降解菌，包括沼澤考克氏菌(Kocuriapalustris)、短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus)與枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)[73]。最近，印度科學家利用分離自古吉拉特邦近海的一株芽孢桿菌處理塑料90d后，通過重量測定、微生物代謝活性和原子力顯微鏡觀察等手段，證明了該菌能夠降解PE與PVC塑料[74]。

　　5塑料降解酶與降解機制研究動態

　　塑料聚合物主要是被生物胞外酶解聚成短鏈或小分子物質，隨后被轉運到細胞內被徹底氧化。細菌可產生多種胞外酶來降解塑料大分子，如脂酶(lipases)、解聚酶、酯酶、蛋白酶K(能降解聚乳酸)、角質酶(cutinase)、脲酶和脫水酶等[80]。為認識全球不同海洋與陸地環境中PET水解酶的多樣性與分布特征，德國漢堡大學Streit教授團隊對108個海洋和25個陸地來源的宏基因組進行了分析，發現了504個潛在的PET降解酶新酶，它們主要來自于放線菌門、變形桿菌門和擬桿菌門的微生物[81]。通過研究還獲得了PET水解酶全球分布特征、系統發育關系與進化過程等信息，發現海洋與陸地環境中PET水解酶在系統發育上有分化;還發現PET水解酶在環境中并不是廣泛分布，但在石油污染環境中的出現率最高。

　　此外，他們還描述了4種新PET水解酶的生化特征[81]。奧地利維也納環境生物技術研究所的Guebitz教授團隊，在塑料聚合物活性酶的篩選、基因改造和工業應用方面開展了較深入的研究，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)再循環領域獲得了10項專利，還從自然環境中(如苔蘚共附生微生物)尋找聚酯酶(Polyesterases)[82]，此外，還利用基因融合等手段對已知的PET水解酶進行改造[83]。最近，國內外在PET降解酶的結構與功能研究方面有了較大進展。韓國學者在對一個名為IsPETase的PET降解酶的晶體結構解析后發現，其具有一個由Ser-His-Asp3個氨基酸殘基組成的催化活性中心[84]。

　　我國科學家通過定點突變，也證實了這3個氨基酸殘基是催化PET降解過程中的活性中心[85]。晶體結構解析還發現C176～C212形成的二硫橋對IsPETase的穩定性和柔韌性具有重要作用，如果突變這兩個半胱氨酸殘基將影響該酶的活性[86]。英國學者在對PET降解酶的結構解析后發現，該類酶同時具有兩種酶的結構特征(角質酶和脂酶)，并預測通過蛋白質工程可以進一步改造，提高該酶對塑料降解的實用性[87]。

　　6深海是塑料降解菌與降解酶基因新資源的重要來源地

　　深海中存在多種天然多聚物，包括各種動植物來源的甲殼質、幾丁質、木質素、肽聚糖等，而且上層水體難降解的多聚物常常以“海雪”(marinesnow)顆粒物形式沉積到海底，因此大洋深海是發現塑料等各類難降解大分子多聚物降解菌的天然場所[88-90]。最新的研究顯示，在大洋洋底深部沉積物中，微生物主要以生物膜的形式存在[91]。類似地，在塑料生物降解過程中，第一步即是微生物在塑料表面附著定植，隨后形成生物膜。大洋深海中的塑料為微生物提供了一個棲息地，同時也為微生物提供了稀缺的碳源與能源。

　　7展望

　　從深遠海各種特殊極端環境或海洋微生物菌株庫藏資源中，篩選獲得高效降解菌是當前的一項重要任務。我國已在深海和極地生物多樣性調查研究與資源開發利用方面，開展了大量工作，并建立了中國海洋微生物菌種保藏中心。獲得高效降解菌與降解酶，并根據實際需求對降解菌及相關基因進行改造，必將推動塑料的循環利用，并有助于遏制塑料垃圾對海洋生態環境的進一步污染。另一方面，微塑料作為一種顆粒有機物，對海洋生物地球化學循環有什么影響?海洋微生物如何影響塑料在海洋環境中的歸宿?要回答這些問題，也需要認識深海等各種海洋環境中塑料降解菌的多樣性與活性。目前，海洋微塑料污染的調查已作為業務化工作，列入了我國每年大洋與極地科學調查的航次任務中。如何整合環境生態調查與塑料降解微生物的研究，提升我國在相關領域的國際影響力，需要多個學科及航次組織實施方的共同努力。

　　參考文獻:

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