議題背景

今年（2020）8月一篇在《整體環境科學》（Science of the Total Environment）上的研究《Nano- and microplastics trigger secretion of protein-rich extracellular polymeric substances from phytoplankton》發現，塑膠微粒（奈米、微米級）會誘發海洋微生物（浮游植物）分泌蛋白質濃度高的胞外聚合物，並影響浮游植物的生存率。研究也進一步提出浮游植物分泌的胞外聚合物，不僅改變塑膠微粒的特性，也讓海洋有機物與塑膠微粒形成更大的聚合體（海洋塑膠雪花），並沉降至更深的海洋深度。為釐清塑膠微粒誘發浮游植物分泌胞外聚合物的機制，以及對海洋生態的影響，特別邀請專家學者回應。

本次議題相關研究：

專家怎麼說？

2020年09月11日
國立臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所副教授 鍾至青

「植物性浮游生物」（phytoplankton） 可藉由「光合作用」將二氧化碳轉化成葡萄糖，為海洋生態系中主要的初級生產者。它們對於海洋生態系統的主要貢獻，在表層海洋深度約至200公尺的「有光層區域」（euphotic zone），可經由直接的攝食過程進行能量傳遞以維持海洋食物網的運作。此外，植物性浮游生物也會將其經由光合作用產生的有機碳，分泌到細胞周圍，這也就是所謂的「胞外分泌物」（exopolymeric substances, EPS）主要來源。可以將胞外分泌物想像成類似糖漿的黏稠物質，會沾黏細胞周圍的物質，包括：鄰近的浮游生物細胞、動物性浮游生物排泄物、微生物或細胞死亡碎屑等，而這會進一步凝聚成更大型的聚合物，也就是俗稱的「海雪」（marine snow），沉降至有光層以下水域的「暮光區」（twilight zone）及「深海區」 （deep sea）。海雪除了是深海生物主要的食物來源外，也由於其主要成分為光合作用固定大氣中二氧化碳所產生的有機碳，因此，對於全球溫室效應的減緩也有極大的幫助。

本篇研究報告主要發現奈米級的塑膠微粒除了會降低植物性浮游生物的存活外，更會改變胞外分泌物有機碳的比例，其組成由原本蛋白質與碳水化合物幾乎各佔一半的情況，轉變成以蛋白質為主要成份。胞外分泌物蛋白質比例的增加，除了意味著此聚合物或將變得更為黏稠外，且或許會更容易吸引細菌等微生物聚集並予以降解。雖然此研究工作均在實驗室完成，研究成果尚屬初步，且沒有任何的海上實測資料可以佐證，後續仍有許多的研究工作必須完成。但根據這樣的結果，仍可以推論塑膠微粒若大量出現在有光層水域將會造成：（1）促使植物性浮游生物死亡，影響海洋生態系的運作；（2）植物性浮游生物胞外分泌物組成份大幅改變，對於進一步形成海雪此類大分子的凝集聚合物成份、其沉降過程、以及細菌在此沉降過程中的降解作用等，這一連串複雜的生地化循環（biogeochemical cycle）[註1]過程或許會發生變化；（3）質輕不易沉降至深海的塑膠微粒，也將更容易沾黏至胞外聚合物，進而被魚蝦等攝食者攝取，最終可能進入人體。

2020年09月11日
國立臺灣海洋大學海洋生物研究所助理教授 何攖寧

未管理妥善的塑膠廢棄物與微粒（小於5 毫米的塑膠碎片）每年以數百萬噸的數量進入海洋[1] ，約有2100萬噸的塑膠微粒存在大西洋表層的海水當中[2]，塑膠微粒已成為現今海洋所面臨最重要的新興污染物，從肉眼可看見的大型塑膠廢棄物對於海洋動物的威脅（塑膠袋誤食、漁網纏繞），至肉眼難以看見的塑膠微粒，因為誤食對於海洋生物所產生的生理功能的影響（發育、存活、生殖及光合作用等能力）[3-5]，科學家們至今仍不斷想要了解，這些無法分解的塑膠微粒對海洋生態所造成的衝擊。

看不到的往往可能是更可怕的，塑膠微粒有機會透過生物性的方式，在短時間內變成奈米級的塑膠微粒[6]，而這些奈米級的塑膠微粒在海洋對於海洋生態會造成怎樣的影響呢？今年（2020），國立臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所的研究團隊，在《整體環境科學》（Science of the Total Environment） 所發表的研究，說明了塑膠微粒（微米、奈米級）對於海洋微生物（浮游植物）的影響，塑膠微粒會誘發浮游植物分泌蛋白質濃度高的胞外聚合物，並影響浮游植物的生存率[7]。研究團隊透過不同大小（6 μm, 1 μm, 55 nm）與濃度（10-4-250 mg L-1）的塑膠微粒，對於浮游植物（矽藻與綠藻）的存活數量與分泌的胞外聚合物組成（蛋白質與碳水化合物比例）進行研究，研究結果發現奈米級的塑膠微粒對於浮游植物影響最大，降低浮游植物存活率並誘發分泌蛋白質濃度高的胞外聚合物。

矽藻是海洋生態食物鏈中非常重要的成員，提供超過40%的海洋初級生產力[註2]，並調節地球上超過20%的二氧化碳，穩定整個海洋與大氣間碳的循環，若海洋中的浮游植物因新興的污染物而受到影響，將有可能打破這個平衡，造成海洋生態重大的改變，此外塑膠微粒誘發浮游植物分泌蛋白質濃度高的胞外聚合物（較高的蛋白質與碳水化合物比值）則被視為浮游植物受到環境壓力的狀態，與一般自然環境下所分泌的胞外聚合物有所不同[8]。

海洋雪花可視為深海生態系統中重要的基礎，是深海生態系統重要的能量來源，海洋雪花附著的微生物群落非常地豐富，然而塑膠微粒影響了海洋雪花（marine snow）的生成與流動，形成了海洋塑膠微粒雪花（marine plastic snow），擾亂海洋原本的食物鏈，並讓微米與奈米級的塑膠進入了深海的食物鏈當中，使塑膠微粒的影響從表層進入到深海當中[9]。

國立臺灣海洋大學研究團隊所做的模擬研究，帶來了極重要的訊息，讓我們了解塑膠微粒對於浮游植物以及微生物生態可能造成的衝擊與影響，值得我們細細地省思，在塑膠製品帶來便利生活的同時，後續產生的塑膠微粒或許已默默地在改變我們海洋的生態。

註釋：

[註1]任何重要元素在地球環境的轉換過程是非常複雜的，生物，地質，還有化學等因素，都會影響此元素在地球環境的型態。例如與溫室效應息息相關的碳循環：二氧化碳經光合作用變成葡萄糖，呼吸作用又變成二氧化碳。或著轉變成生物體的有機碳，死亡後經地質物理與化學作用又化成了煤炭或石油。所以，生地化循環，以碳元素為例，就是經由各式生物與非生物因子將其轉換成各式面貌呈現並與地球環境交互作用的過程。

[註2]海洋初級生產力：是指海洋生物（浮游植物、自營細菌等）等生產者，利用太陽能將無機物，如二氧化碳、水等，合成作用製造高能量有機物的一種程序。

參考資料：

  1. Lebreton, LC, Van Der Zwet J, Damsteeg J-W, Slat B, Andrady A,Reisser J, River plastic emissions to the world’s oceans Nature communications, 2017. 8: 15611.
  2. Pabortsava, K and Lampitt RS, High concentrations of plastic hidden beneath the surface of the Atlantic Ocean Nature Communications, 2020. 11(1): 1-11.
  3. Sussarellu, R, Suquet M, Thomas Y, Lambert C, Fabioux C, Pernet MEJ, et al., Oyster reproduction is affected by exposure to polystyrene microplastics Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016. 113(9): 2430-2435.
  4. Lee, K-W, Shim WJ, Kwon OY,Kang J-H, Size-dependent effects of micro polystyrene particles in the marine copepod Tigriopus japonicus Environmental science & technology, 2013. 47(19): 11278-11283.
  5. Prata, JC, da Costa JP, Lopes I, Duarte AC,Rocha-Santos T, Effects of microplastics on microalgae populations: A critical review Science of The Total Environment, 2019. 665: 400-405.
  6. Mateos-Cárdenas, A, O’Halloran J, van Pelt FN,Jansen MA, Rapid fragmentation of microplastics by the freshwater amphipod Gammarus duebeni (Lillj.) Scientific reports, 2020. 10(1): 1-12.
  7. Shiu, R-F, Vazquez CI, Chiang C-Y, Chiu M-H, Chen C-S, Ni C-W, et al., Nano-and microplastics trigger secretion of protein-rich extracellular polymeric substances from phytoplankton Science of The Total Environment, 2020: 141469.
  8. Shiu, R-F, Chiu M-H, Vazquez CI, Tsai Y-Y, Le A, Kagiri A, et al., Protein to carbohydrate (P/C) ratio changes in microbial extracellular polymeric substances induced by oil and Corexit Marine Chemistry, 2020: 103789.
  9. Cózar, A, Echevarría F, González-Gordillo JI, Irigoien X, Úbeda B, Hernández-León S, et al., Plastic debris in the open ocean Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014. 111(28): 10239-10244.

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