本文首发于"生态学者"！
**第一作者：**李长超；王怡静
**通讯作者：**李长超；方家熙；金灵
文章DOI： https://doi.org/10.1038/s41467-026-76782-z
成果简介
塑料在环境中可选择性装配微生物，形成独特的"塑料际"微生态系统，从而增加其生态健康影响的复杂性。古菌是生命三域之一，在海洋元素循环、气候调节和微生物演化中具有重要生态与进化意义。然而，作为塑料污染形成的新型微生物栖息地，塑料际中的古菌群落长期缺乏系统认识。基于香港和青岛沿海94组塑料垃圾及周围海水配对样本，香港理工大学研究团队在Nature Communications发表题为"Unraveling the coastal marine plastisphere archaeome"的研究论文，结合古菌扩增子测序和宏基因组学，系统揭示了沿海塑料际古菌组的群落结构、功能潜力、组装机制及环境响应。研究发现，塑料际显著重塑古菌群落，使其表现出更高的物种多样性和群落异质性，并选择性增加广古菌门和泉古菌门等类群，表明塑料表面可形成具有明确分类特征的古菌栖息地，并可能改变沿海古菌的空间分布格局。宏基因组分析进一步显示，塑料际古菌中甲烷、氮和硫循环相关功能基因显著富集，提示塑料垃圾可能改变海洋关键生物地球化学过程。古菌群落组装分析表明，塑料际古菌主要受随机过程控制，塑料颗粒在环境中类似分散的"微型岛屿"，强化了扩散限制和随机定殖。同时，塑料际与周围海水中古菌分类和功能差异会随人为化学污染压力增加而扩大。该研究将塑料际微生物风险研究拓展至古菌域，揭示了塑料污染可能影响海洋古菌多样性、生物地理格局和生物地球化学功能潜力。
全文解读
研究背景
塑料污染正在持续改变海洋生态系统。环境中的塑料具有持久性、疏水性、漂浮性和复杂表面结构，可为微生物提供新的附着基底和微生境，形成以塑料为核心的"塑料际"微生态系统。过去十余年中，塑料际研究已揭示细菌、真菌、病毒和微藻等类群在塑料表面的装配特征及生态健康风险。然而，古菌这一重要微生物类群在塑料际中的生态特征仍缺乏系统认识。
古菌虽然在很多环境中相对丰度不高，但其生态作用不可忽视。海洋古菌广泛参与碳、氮、硫等元素循环，在有机质转化、营养盐循环和温室气体调节中发挥重要作用。沿海生态系统是陆海交汇和元素循环活跃区域，也是塑料污染高度集中的区域。明确塑料垃圾是否会重塑海洋古菌群落，并改变其生物地球化学功能潜力，对于全面认识塑料污染的深层生态效应具有重要意义。
基于此，本研究采集香港和青岛不同沿海环境中的塑料垃圾及周围海水配对样本，结合古菌扩增子测序、宏基因组学和群落生态分析，系统解析沿海塑料际古菌组的组成特征、功能潜力、组装机制及其对环境变化的响应。
主要研究结果
1. 塑料际显著重塑古菌群落结构
宏基因组分析显示，在塑料际和周围海水微生物群落中，细菌占绝对优势，古菌相对丰度较低。然而，低丰度并不意味着低生态重要性。古菌参与多种关键元素循环，其在塑料际中的群落变化可能具有重要生态意义。
基于古菌扩增子测序，本研究发现塑料际古菌群落显著区别于周围海水（图1）。与海水相比，塑料际古菌具有更高的分类多样性和更强的群落异质性，但系统发育多样性降低（图1）。这说明塑料表面并不是简单增加古菌数量或随机承载所有古菌，而是选择性装配具有相近生态适应特征的古菌类群。
在主要古菌类群中，广古菌门和泉古菌门在塑料际中显著增加，而奇古菌门、乌斯古菌门和曙古菌门等类群相对降低（图1）。随机森林分析进一步显示，亚硝化球菌属这一氨氧化古菌类群，是区分塑料际和海水古菌群落的重要标志类群。宏基因组组装结果也支持这一模式：塑料际来源的古菌基因组均属于亚硝化球菌目，而海水来源的古菌基因组则主要属于典型海洋古菌类群波塞冬古菌目。这些结果表明，塑料表面可形成具有明确分类特征的古菌栖息地，并可能改变海洋中古菌的空间分布格局。
图1 塑料际古菌群落特征。塑料际显著改变古菌群落结构，表现为更高的分类多样性和群落异质性，并选择性增加广古菌门和泉古菌门等类群。
2. 塑料际古菌具有增强的甲烷、氮和硫循环功能潜力
宏基因组功能分析显示，塑料际中古菌功能基因谱显著区别于周围海水，特别是与甲烷、氮、硫和磷循环相关的功能基因发生明显变化（图2）。其中，甲烷、氮和硫循环相关的多个古菌功能途径在塑料际中显著增加（图2）。
在甲烷循环方面，塑料际中古菌厌氧甲烷氧化、核心产甲烷途径、甲醛氧化以及一碳同化相关功能基因增加（图2）。这说明塑料际古菌可能同时具备甲烷产生和甲烷消耗的功能潜力。塑料生物膜内部可形成局部低氧微环境，为产甲烷和厌氧甲烷氧化过程提供微尺度生态位。因此，海洋塑料垃圾可能成为沿海生态系统中甲烷转化的局部热区。
在氮循环方面，塑料际中古菌氨氧化、反硝化以及有机氮降解和合成相关基因增加（图2）。塑料生物膜中可能存在氧气和营养盐梯度，使氨氧化古菌在相对富氧表层利用氨，而相关氮转化产物进入低氧区域后进一步参与反硝化过程。亚硝化球菌目古菌基因组中也检测到完整氨氧化相关基因及相关氮循环基因，进一步支持塑料际古菌参与氮转化的功能潜力。
在硫循环方面，塑料际古菌中异化硫还原、同化硫酸盐还原及有机硫转化相关基因增加（图2）。该结果提示，塑料生物膜可能提供低氧和资源富集的微环境，促进古菌利用不同形态的硫化合物。考虑到塑料生物膜可释放二甲基硫等生态信息化合物，这类硫循环功能变化还可能进一步影响海洋生物行为、摄食过程和营养级相互作用。
图2 塑料际古菌的生物地球化学功能潜力。宏基因组分析显示，塑料际古菌中多种甲烷、氮和硫循环相关功能基因显著增加，提示塑料表面可能成为局部元素转化热区。
3. 塑料际古菌群落组装机制
群落组装分析显示，古菌与细菌、真菌在塑料际中的形成机制存在明显差异（图3）。细菌和真菌群落更多受到确定性过程影响，而古菌群落主要受随机过程控制（图3）。塑料际中古菌群落的随机性进一步增强，说明塑料颗粒对古菌而言更像是分散、孤立且高度碎片化的"微型岛屿"（图3）。
这种岛屿效应会强化扩散限制和随机定殖。换言之，一个塑料颗粒上最终出现哪些古菌，很大程度上取决于哪些古菌细胞偶然到达并成功定殖。由于古菌在沿海水体中通常相对丰度较低，其定殖和局部灭绝更容易受到随机事件影响。相比之下，细菌数量更高、来源更连续，也更容易受到塑料表面理化性质和生物膜环境的定向选择。
网络分析也支持这一判断。与海水古菌网络相比，塑料际古菌共现网络更简单、连接度更低、稳定性更弱，说明塑料际古菌之间的相互作用较弱，群落结构更松散（图3）。这表明，塑料际古菌群落并不是高度稳定和紧密组织的生态网络，而是更容易受到随机到达、扩散限制和局部漂变影响的群落。
图3 塑料际古菌群落组装机制。与细菌和真菌不同，塑料际古菌群落主要受随机过程控制；塑料颗粒类似分散的微型岛屿，强化了扩散限制和随机定殖。
4. 人为化学污染可放大塑料际与海水古菌群落结构与功能分异
尽管塑料际古菌组装主要受随机过程控制，环境因子仍与古菌群落和功能变化存在关联（图4）。Mantel分析显示，溶解有机碳、硝酸盐、磷酸盐、pH、盐度、温度以及多种抗生素浓度均与古菌群落结构相关（图4）。然而，与海水古菌相比，塑料际古菌功能谱与外部环境因子的关联更弱，提示塑料表面可能为古菌提供相对缓冲的微环境（图4）。
进一步分析显示，塑料际与海水中古菌分类和功能差异会随着抗生素污染水平升高而增大（图4）。换言之，在人为化学污染压力更强的水体中，塑料际古菌群落更明显地偏离周围海水古菌群落，其功能潜力差异也更突出。部分塑料际增加的功能途径，如厌氧甲烷氧化、核心产甲烷途径、有机氮降解和合成等，也会在较高抗生素污染水平下进一步增强。
该结果说明，当塑料污染与化学污染共同存在时，塑料际可能成为更加独特且生态意义更强的微生物栖息地。塑料表面的生物膜结构、污染物吸附能力和局部微环境，可能共同影响古菌群落对外界压力的响应，并放大塑料际与周围水体之间的分类和功能差异。
图4 环境因子与塑料际古菌组变化。人为化学污染压力越高，塑料际与周围海水中古菌群落和功能潜力的差异越明显，说明复合污染可能进一步放大塑料际古菌的生态影响。
总结与展望
本研究从群落结构、功能潜力、组装机制和环境响应等多个层面，系统揭示了沿海生态系统中塑料际古菌组的生态特征。研究表明，塑料垃圾不仅是海洋中的物理污染物，也可能作为新型微生物栖息地，重塑古菌群落结构，并改变其参与甲烷、氮和硫循环的功能潜力。
这一发现将塑料际微生物生态研究进一步拓展至古菌域。古菌在海洋碳循环、氮循环、硫循环和气候相关过程中具有重要作用，而塑料际中古菌群落的选择性装配和功能变化，提示塑料污染的生态影响可能延伸至更深层的生物地球化学过程。随着塑料垃圾持续进入海洋，塑料际古菌生物膜的规模和影响也可能不断扩大，从而对沿海生态系统功能和元素循环产生累积效应。
本研究也表明，塑料际古菌群落主要受随机过程控制，并在高人为化学污染压力下与周围海水表现出更大的分类和功能差异。这意味着，仅依赖传统环境因子可能难以预测塑料际古菌群落变化，也提示塑料污染与化学污染的复合效应需要在未来生态风险评估中得到更多关注。
未来研究需要进一步结合原位活性测定、转录组学、稳定同位素示踪和过程速率测定，验证塑料际古菌功能基因变化是否真正转化为甲烷、氮和硫循环速率的改变。同时，也需要扩展至不同水深、不同海区和深海环境，解析塑料类型、表面风化、生物膜演替和污染物共暴露对古菌组装和功能的影响。将古菌纳入塑料际生态风险评估，将有助于更全面理解塑料污染对海洋微生物多样性、生物地理格局和生态系统功能的深层影响。
主要作者简介
第一作者 & 通讯作者：李长超 ，香港理工大学土木及环境工程学系助理教授（研究），香港理工大学---华大全球海洋资源基因组与合成生物学联合研究中心（RCOcean）核心成员，主要研究方向为环境微生物组学、微生物生态学、环境健康等，关注环境变化下微生物风险的形成机制与管控。目前发表学术论文60余篇，其中以第一/通讯作者在Nature 、Nature Reviews Earth & Environment 、Nature Communications 、The Innovation 、One Earth 、iMeta 、Environmental Science & Technology 、Water Research 等期刊上发表论文19篇。5篇一作论文成为ESI全球高被引论文，多篇论文被评为最佳论文、最受关注论文、最高被引论文。研究发现被世界卫生组织官方报告征引，被英国皇家化学会官网专文介绍，被BBC Wildlife、挪威科学报、欧洲商业评论新闻、中国科学报等权威媒体报道。入选香港新晋学者计划，获评WILEY中国开放科学杰出作者。担任iMeta 、Journal of Environmental Management 、Water, Air, & Soil Pollution 等期刊副主编/编委。ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Changchao-Li
共同第一作者：王怡静， 山东大学博士（2026年6月毕业）、香港理工大学博士后。主要研究方向为全球变化生态学、微生物生态学等，以第一作者在Nature Communications 、Applied Soil Ecology 等期刊发表学术论文4篇。ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Yijing-Wang-34。
**通讯作者：**方家熙（James Kar-Hei Fang），香港理工大学理学院食品科学及营养学系副教授、香港理工大学---华大全球海洋资源基因组与合成生物学联合研究中心（RCOcean）副主任、香港城市大学海洋环境健康全国重点实验室成员。研究主要关注于海洋健康与海产品可持续、海产品污染与风险评估、微塑料与纳米塑料、海洋生态生理学与生态毒理学等。目前作为PI已成功获得20余项研究项目资助（>3500万港元），发表学术论文150余篇。
通讯作者：金灵 ，香港理工大学土木及环境工程学系&医疗科技及资讯学系副教授、香港城市大学海洋环境健康全国重点实验室成员，致力于化学与微生物复合污染与联合健康效应的研究，所涵盖的研究主题包含空气污染与人体健康、海洋污染与野生动物健康，以及病原微生物的环境选择与传播。主持国家自然科学基金和香港研资局项目等十余项。已在Nature 、Nature Communications 、The Innovation 、One Earth 、National Science Review 、Environmental Science & Technology 等领域顶尖期刊上发表百余篇论文。获James J. Morgan早期职业奖、亚洲青年气溶胶科学家奖、美国环境工程师与科学家学会2025年度"40位40岁以下杰出人才"奖。曾任Environmental Toxicology and Chemistry 编委、Environmental Science & Technology 城市空气污染与人体健康专刊客座编辑、Environment International 数据驱动的复合污染风险评估创新方法专刊客座编辑。现任Environmental Science & Technology 和ACS Environmental Au 期刊编委、ACS ES&T Toxicology 期刊专题编辑、The Innovation 青年编委。ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Ling-Jin-14。