養出大腸桿菌、具抗生素抗藥性細菌的「海洋塑膠生物圈」

養出大腸桿菌、具抗生素抗藥性細菌的「海洋塑膠生物圈」
Photo Credit:AP/達志影像

我們想讓你知道的是

海洋的塑膠碎片提供了一個基因交換場所,讓生物圈上的微生物進行基因的交換,塑膠生物圈對於海洋生態與微生物的衝擊,不僅是將外源的病原菌帶入新的海洋環境生態圈當中。

背景描述

2013年《環境科學與技術》(Environmental Science & Technology)期刊發表了一篇〈Life in the "plastisphere": microbial communities on plastic marine debris〉文章,首度提出了「海洋塑膠生物圈」的概念。海洋塑膠生物圈是指塑膠碎片在海洋中因其疏水、漂浮等特性,提供海中微生物一個合適的繁殖環境,這個環境稱為「海洋塑膠生物圈」。

近年針對「海洋塑膠生物圈」的兩份研究〈Antimicrobial resistance (AMR) and marine plastics: Can food packaging litter act as a dispersal mechanism for AMR in oceanic environments? 〉、〈Colonisation of plastic pellets (nurdles) by E. coli at public bathing beaches〉結果表明,海洋中的塑膠碎片存在著大腸桿菌以及具抗生素抗藥性(Antimicrobial resistance,AMR)的細菌,將會增加疾病傳播的風險以及途徑。

為釐清海洋塑膠生物圈對海洋生態以及人類的影響,特別邀請專家學者回應。

本次議題相關新聞、報導:

專家意見如下。

龔國慶(國立台灣海洋大學海洋環境與生態研究所暨海洋中心終身特聘教授)
許瑞峯(國立台灣海洋大學海洋環境與生態研究所暨海洋中心助理教授)
2020年5月20日

自1950年以來塑膠開始被人類大量使用,然而經估算約有60%使用過的塑膠並未被回收,(ref. 1)經風吹雨淋太陽曬等過程變成碎片,最終流入海洋。這些碎片會再因為海浪的作用,逐漸被瓦解成小於5毫米大小或是更小的微奈米顆粒,就是我們所稱的海洋塑膠微粒(Marine Microplastics)。

這些進入海洋的塑膠微粒,隨著海潮流廣泛散佈在全球的海洋環境中,同時進入海洋的食物網循環,形成了如2013年美國學者Zettler等人提出之海洋塑膠生物圈(Life in the "Plastisphere")的概念。(ref. 2)

然而這些海洋塑膠微粒對海洋生物的衝擊,以及對人類的健康風險,目前所知仍然相當有限。最近在國際海洋污染的專業期刊論文中發現,隨著海潮流漂送到沙灘及沿海的塑膠垃圾或塑膠微粒中,含有可引發人類敗血症、呼吸系統衰竭症的木糖氧化產鹼菌(Achromobacter xylosoxidans),甚至在當中發現具有抗藥性的微生物群,(ref. 3)或是含有大腸桿菌和海洋弧菌等病原體。(ref. 4)

這些結果顯示世界各國在防堵病原體跨國散播的作為上,可能出現了「防疫缺口」,相當值得我們深思。

最近本校與美國加州大學美熹德分校(University of California,Merced)合作所發表的研究顯示 ,(ref. 5、6)在實驗室的模擬實驗發現海洋中的塑膠微粒可與海洋中的膠體(註1)聚集成更大的聚合體,也會促使生長在海洋有光照水層且數量龐大的單細胞浮游植物(每毫升的海水約含1000顆細胞)的細胞產生更多更粘的膠體。

這意味著在海洋中四處漂流的膠體聚合物表面,除了能形成豐富的微生物群落外,同時也可能會不斷蓄積環境中有害及致癌性的化學物質(例如環境荷爾蒙、多環芳香烴等、重金屬等),進入海洋生態系的食物鏈循環,(ref. 7)產生生物毒性放大作用,(註2)對海洋生物的衝擊以及人類的健康風險不容忽視。

再者,因海洋塑膠微粒促使海洋膠體的大量聚合,將會加速粘著的污染物或是有機碳(註3)往深海沉降的速度,可能對海洋的暮光層、(註4)深海以及底棲生物造成衝擊,也可能改變海洋透過生物幫浦作用(註5)吸收大氣二氧化碳,往深海傳送與儲存的功能。

海洋塑膠已被聯合國認為是全球性與危及下一世代的議題,然而,受限於海上採樣、分析技術與研究資源等因素,迄今為止,海洋塑膠微粒的研究大多侷限在實驗室的模擬與毒性的探討。政府相關單位應「料敵從寬、超前部署」,投入研究資源進行有系統的整合調查與研究,以釐清塑膠微粒在海洋中的傳輸行為與宿命,及其對海洋生態的衝擊與人類健康的風險。

陳德豪(國立海洋生物博物館副館長/國立東華大學海洋生物研究所教授)
2020年5月20日

海洋塑膠廢棄物(以下簡稱海廢)是近十年非常熱門的環境議題。海廢危害海洋生物的攝入(ingestion)以及纏繞(entanglement)(註6)已經累積許多研究,但我們對於海洋塑膠生物圈(plastishpere)中的各種微生物所知相對就很有限。海廢所附著的微生物會形成微小的生態系,隨著海廢漂流到遠處。這也可能會成為致病菌、具抗生素抗藥性的細菌遠程散佈的新途徑。

最近一篇研究(ref. 8)顯示,定殖(colonize)(ref. 註7)於海廢上的細菌被檢驗出具有抗生素抗藥性,但目前不知道這些細菌,能夠在這些塑膠廢棄物上存活多久。這點很重要,因為這可能會影響具抗生素抗藥性細菌跨越國界傳播的能力。

此外,較大的海廢在海洋中會因為波浪及日曬而破碎成更小的微塑膠(microplastic)甚至是奈米塑膠(nanoplastic)。作者推論,倘若這些微塑膠或奈米塑膠藉由食物鏈在不同生物間轉移,這些具抗生素抗藥性的細菌也有可能隨之轉移,甚至進入到人類食用的海鮮中,這就可能造成海鮮食用安全的疑慮。

但這些目前都還只是研究人員的推測,尚無相關科學證據,顯示微塑膠上的微生物會危害海鮮食用安全,我們可以不用過度擔心。

一個英國的研究發現,(ref. 9)在公共海灘上採集的微塑膠顆粒上,定殖著大腸桿菌或弧菌。這些海廢可能在海水裡就被細菌定殖,也可能是被沖上沙灘才因接觸到動物的糞便(例如狗糞或鳥糞)而被污染。

塑膠在海水中很快就會被生物薄膜(biofilm)(ref. 註8)附著,若在遭糞便污染的海水中更容易被大腸桿菌定殖。塑膠在環境中老化產生孔洞、縫隙、裂痕會導致表面粗糙化,進而增加被細菌定殖的表面積。

除了大腸桿菌之外,弧菌也是對人類很常見的致病菌。弧菌在海洋環境裡無處不在,在海洋塑膠廢棄物表面的生物薄膜也佔有很重要的角色。當海廢被生物薄膜附著之後,就更容易被細菌定殖,進而增加致病性細菌附著的風險。

以前評估人類在遊憩型海灘暴露致病菌的風險時,只考慮海水污染程度,但被細菌定殖的海廢也可能是另一個風險來源。此外,在全球氣候變遷的趨勢下,隨著溫度上升,疾病的地理分布可能會隨之改變,在某些地方會產生新的致病菌。氣候變遷也會改變沿海地區淹水的強度和頻率,導致更多塑膠廢棄物進入海洋。

Plastic Bag Ban
Photo Credit: AP/達志影像

海水浴場管理單位,應將塑膠廢棄物上附生的致病菌(例如大腸桿菌)做為另一項指標,並採取相關行動,以降低戲水遊客藉由接觸這些污染的塑膠廢棄物(如塑膠顆粒)造成的致病風險。

楊松穎(日本筑波大學下田臨海研究中心博士後研究員)
2020年5月20日

上述這兩份對海洋塑膠生物圈的研究報告中,對大於5 mm的食物類型塑膠碎片,以及小於2 mm的塑膠微粒上做細菌種類調查,發現這些塑膠有利於具有抗生素抗藥性致病菌,及大腸桿菌的生長。這不只提高潛在對人類或其他生物致病菌的傳播,也因為增加表面積與在水體中懸浮的時間,提高了細菌族群獲得抗生素抗藥性的可能。

人類在具有塑膠碎片或微粒存在的地區遊憩時,可能會增加接觸到這類細菌的風險。

塑膠生物圈對海洋生態系有多方面的影響。塑膠碎片的散佈過程中,經歷了物理化學作用的破壞降解,而微生物會在塑膠碎片上形成生物薄膜,改變塑膠碎片的密度,而最終沉降於海底。所以,在海洋中,底棲生物會比非底棲生物受到較多的影響。(ref. 10)

塑膠生物圈上的生物薄膜在時間及空間上會有不同層次的微生物組成。初始的生物薄膜會影響接下來的微生物族群,例如副隆(Foulon) (ref. 11)的團隊,發現牡蠣致病菌的海洋弧菌 (Vibrio crassostrea)只會附著與增生在,已有初始生物薄膜的塑膠微粒上。

這些多層的微生物薄膜會影響表面黏度、營養跟懸浮度,並集結更多生物或有機物質後沉降,就如自然產生的有機碎屑(又稱海洋雪)。這些塑膠製的有機碎屑裡的微生物所散發出的化學訊息,對食物鏈基礎的海洋浮游生物而言,就像一般食物。而增加誤食塑膠的機率,進而衍生其他生理健康的干擾。(ref. 12)

浮游生物誤食這些塑膠微粒後,牠們的體型、獵食能力、生長與生育能力都可能受到改變。(ref. 13) 食用有機碎屑及浮游生物的濾食性動物,以及海洋生態系的高階消費者 ,例如魚類、鯨豚及海鳥,經生物累積,大量攝取而影響生理,感染疾病或中毒。人類如果食用這些海產,也可能受到影響。(ref. 10)

目前已經知道,當珊瑚與帶有致病菌的海洋塑膠接觸時,會大幅增加珊瑚染病的機率。(ref. 14)當珊瑚生病,整體生態系便可能更難以抵抗像是氣候變遷所帶來的大規模影響。海洋塑膠生物圈造成的後果雖然不容易直接觀察,但累積起來卻可能持續影響海洋生態系,最終影響人類。

何攖寧(國立台灣海洋大學海洋生物研究所助理教授)
2020年5月21日

根據美國佐治亞大學(University of Georgia)科學家詹姆貝克(Jambeck)研究團隊,發表在《科學》(Science)期刊的研究,(ref. 15)每年估計約有800萬噸的塑膠廢棄物進入海洋,大量的塑膠廢棄物因為不當的管理從河川進入大海,此現象又以亞洲地區最為嚴重。

勒布雷頓(Lebreton)研究團隊於2017年發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊的研究估計,亞洲地區河流中塑膠廢棄物的排放量佔全球總排放量的86%。(ref. 16)

河川的污染除了塑膠廢棄物之外,更有著許多人類病原菌、有機污染物等的綜合污染,(ref. 17, 18)因塑膠廢棄物不易分解的特性,水體中塑膠碎片將非常有可能成為傳播污染物的新型載具以及微生物的棲息地,於是塑膠生物圈(plastisphere)的概念就此產生。

近期的科學研究指出在公共海灘中的塑膠碎片表面,發現潛在的病原菌(如大腸桿菌、弧菌、假單胞桿菌) ,(ref. 19, 20)在地中海海域的塑膠碎片表面,也發現有魚類的病原菌鮭魚氣單胞菌(Aeromona salmonicida),(ref. 21)塑膠生物圈中的微生物,極有可能透過海洋中的新興污染物塑膠碎片在水體中傳播,並改變原有的散播機制。

除此之外,塑膠生物圈中的基因信息(ref. 註9)互換,也是科學家們所擔憂的另外一個面向,已有許多研究指出,塑膠生物圈上具有抗藥性基因的微生物細菌數量,佔比遠高於一般海水中的微生物細菌,在抗藥性基因的種類上也差異很大。(ref. 22, 23)

海洋的塑膠碎片提供了一個基因交換場所,讓生物圈上的微生物進行基因的交換,因此塑膠生物圈對於海洋生態與微生物的衝擊,不僅是將外源的病原菌帶入新的海洋環境生態圈當中,並有可能將外源的微生物基因信息帶入新的環境,間接造成海洋微生物與生態的衝擊。

然而現今依然有需多的問題值得釐清,塑膠碎片上的生物圈是否就像海綿一般,任何水體的微生物就一定可以順利棲息與拓殖(colonization)?答案是否定的,在已經形成微生物圈的塑膠碎片上,外來的微生物要如何與本土的微生物族群共存,往往取決於微生物間的交互作用。(ref. 註10)

因此,是否因為新興污染物塑膠微粒的存在,使得水媒病原菌大量傳播並加速水產動物疾病的擴散?不明原因的水媒疾病的爆發是否與水體內塑膠碎片有所關聯?存在有人類病原菌的塑膠生物圈是否會增加人類罹患疾病的風險?這些都需要更多的研究與資料來去進行評估與驗證。

註釋

  1. 海洋膠體主要來源為微生物或藻類所分泌的黏液或生物聚合物,可將微生物、小顆粒和微量金屬聚集形成較大的有機顆粒,有助於海洋元素的循環和傳遞。
  2. 生物毒性放大作用(Biomagnification),指環境中的有害化學物質進入並累積於生物體內,有害物質濃度可藉由食物鏈在各級生物體內逐漸升高的現象。
  3. 有機碳,指在海洋中含碳的有機物質如海洋膠體、有機碎屑等。
  4. 暮光層(Twilight zone),是指海面下200米至1,000米深度且陽光微弱的區域,該深度擁有豐富的生物資源,這些生物的活動在全球碳循環和支持海洋食物鏈扮演關鍵的角色。
  5. 生物幫浦作用(Biological pump),又稱生物泵,是海洋浮游植物透過光合作用吸收大氣二氧化碳、釋放出氧氣,並成為海洋食物鏈中其它各階層生物的食物來源。同時生物經由攝食、排泄、死亡、沉降過程,所產生的糞便、微生物屍體碎屑、海洋膠體逐漸沉降到深海。這就猶如同馬達(幫浦),將大氣中的二氧化碳經由生物反應「抽提」傳輸至海底封存。
  6. 纏繞(entanglement)是指海廢如塑膠袋或漁網等會纏繞在生物體上造成受傷甚至窒息死亡。
  7. 定殖(colonize)是指細菌在海廢(或其他物體或生物體)表面生長成群落。
  8. 生物薄膜(biofilm)是指許多微生物細胞以胞外多聚物基質(extracellular polymeric substances)黏合而成且附著在浸有液體的物體或生物表面的群落。
  9. 基因信息(geneinformation),儲存在DNA分子片段中的生物遺傳基因資訊,在微生物族群中可透過接合作用(conjugation)、輔導作用(transduction)以及轉型作用(transformation)等方式,來進行基因信息的交換。
  10. 微生物在相同環境下的互相作用,一般來說主要分為互利共生(mutualism)、片利共生(commensalisms)、寄生(parasitism)與拮抗(antagonism),若外源微生物與塑膠生物圈上存在的微生物族群為拮抗關係,那麼外源微生物將很難持續存活在塑膠生物圈中。

參考資料

  1. Geyer et al. (2017) Production, use, and fate of all plastics ever made. Sci. Adv. 3, e1700782.
  2. (ref. 2)Zettler et al. (2013) Life in the "Plastisphere": Microbial communities on plastic marine debris. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 13, 7137-7146.
  3. Moore et al. (2020) Antimicrobial resistance (AMR) and marine plastics: Can food packaging litter act as a dispersal mechanism for AMR in oceanic environments? Mar. Pollut. Bull. 150, 110702.
  4. Rodrigues et al. (2019) Colonisation of plastic pellets (nurdles) by E. coli at public bathing beaches. Mar. Pollut. Bull. 139, 376-380.
  5. Shiu et al. (2020) Nano-plastics induce aquatic particulate organic matter (microgels) formation. Sci. Total Environ. 706, 135681.
  6. Shiu et al. (under review) Nano- and microplastics trigger secretion of protein-rich extracellular polymeric substances from phytoplankton.
  7. Yu et al. (2019) Adsorption behavior of organic pollutants and metals on micro/nanoplastics in the aquatic environment. Sci. Total Environ. 694, 133643.
  8. Moore, R.E., Millar, B.C., Moore, J.E., 2020. Antimicrobial resistance (AMR) and marine plastics: Can food packaging litter act as a dispersal mechanism for AMR in oceanic environments? Marine Pollution Bulletin 150, 110702.
  9. Rodrigues, A., Oliver, D.M., McCarron, A., Quilliam, R.S., 2019. Colonisation of plastic pellets (nurdles) by E. coli at public bathing beaches. Marine Pollution Bulletin 139, 376-380.
  10. Sharma, S., & Chatterjee, S. (2017). Microplastic pollution, a threat to marine ecosystem and human health: a short review. Environmental Science and Pollution Research, 24(27), 21530-21547.
  11. Foulon, V., Le Roux, F., Lambert, C., Huvet, A., Soudant, P., & Paul-Pont, I. (2016). Colonization of polystyrene microparticles by Vibrio crassostreae: light and electron microscopic investigation. Environmental science & technology, 50(20), 10988-10996.
  12. Galloway, T. S., Cole, M., & Lewis, C. (2017). Interactions of microplastic debris throughout the marine ecosystem. Nature Ecology & Evolution, 1(5), 1-8.
  13. Chatterjee, S., & Sharma, S. (2019). Microplastics in our oceans and marine health. Field Actions Science Reports. The journal of field actions, (Special Issue 19), 54-61.
  14. Lamb, J. B., Willis, B. L., Fiorenza, E. A., Couch, C. S., Howard, R., Rader, D. N., ... & Harvell, C. D. (2018). Plastic waste associated with disease on coral reefs. Science, 359 (6374), 460-462.
  15. Jambeck, JR, Geyer R, Wilcox C, Siegler TR, Perryman M, Andrady A, et al., Plastic waste inputs from land into the ocean Science, 2015. 347(6223): 768-771.
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  23. Moore, RE, Millar BC,Moore JE, Antimicrobial resistance (AMR) and marine plastics: Can food packaging litter act as a dispersal mechanism for AMR in oceanic environments? Marine pollution bulletin, 2020. 150: 110702.

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航