プラスチスフィア

プラスチスフィアは、プラスチック廃棄物で生息できる生物で構成された人工の生態系です。海洋プラスチックごみ、特にマイクロプラスチックは水生環境に蓄積し、細菌や真菌などのさまざまな種類の微生物の生息地となっています。^{[1] [2]} 2022年現在、推定51兆個のマイクロプラスチックが世界の海洋の表層水に浮遊しています。^[3]厚さ5mmのプラスチック片1枚に、何千もの異なる微生物種が生息する可能性があります。^[4]一部の海洋細菌はプラスチックポリマーを分解し、その炭素をエネルギー源として利用できます。

プラスチック汚染は、生物を長距離輸送するための生分解性材料よりも耐久性のある「船」として機能します。 ^{[5] [6]}この長距離輸送により、微生物がさまざまな生態系に移動し、侵入種^[1]や有害な藻類が導入される可能性があります。^{[7]プラスチックの}破片で見つかった微生物は、独立栄養生物、従属栄養生物、共生生物の生態系全体を構成しています。^[8]プラスチックスフィア内で見つかった微生物種は、プラスチックの独特の化学的性質と生分解の速度が遅いため、自然に発生する他の浮遊物質（つまり、羽毛や藻類）とは異なります。微生物に加えて、以前は生息できなかった海洋領域で昆虫が繁殖するようになりました。たとえば、ウミゲーターは、浮遊プラスチックによって提供される硬い表面で繁殖できるようになりました。^[9]

プラスチスフィアは、海洋生物学研究所のリンダ・アマラル・ゼトラー、ウッズホール海洋研究所のトレイシー・ミンサー、海洋教育協会のエリック・ゼトラーの3人の海洋科学者のチームによって2013年に初めて記述されました。^{[10] [11]}彼らは研究旅行中にプラスチックのサンプルを収集し、微生物がどのように機能し、生態系を変えるかを研究しました。彼らは大西洋の複数の場所から網で収集されたプラスチックの破片を分析しました。^{[11]研究者は}走査型電子顕微鏡とDNA配列を組み合わせて、プラスチスフィアの独特な微生物群集構成を特定しました。^{[11]最も注目すべき発見の中には、「ピットフォーマー」、つまり}生分解の証拠を提供する亀裂とピットを形成する生物がありました^{[11] [12] 。また、}炭化水素を分解する可能性もあるかもしれません。^[11]研究者らは分析の中で、コレラやその他の胃腸疾患を引き起こす細菌を含むビブリオ属の菌も発見した。 ^[13]ビブリオ属のいくつかの種は光ることができ、これがプラスチックに定着した微生物を食べる魚を引き寄せ、その微生物が魚の胃から餌を得るのではないかと考えられている。^[14]バルト海^[15]と地中海^[16]で行われた研究でも、それぞれプラスチックフィルムと破片、プラスチック繊維から ビブリオ属の微生物が発見された。

プラスチックは1907年にレオ・ベークランドがホルムアルデヒドとフェノールを使って発明した。^[17]それ以来、プラスチックの使用は爆発的に増加し、人類社会全体に普及している。1964年から2014年までの間に、プラスチックの使用は20倍に増加した。2035年までに2014年のレベルから2倍になると予想されている。 ^[18]プラスチック禁止を通じてプラスチック生産を抑制する取り組みは、主に包装と使い捨てプラスチックに焦点を当ててきたが、プラスチック汚染のペースを遅らせることはできなかった。同様に、プラスチックのリサイクル率は低い傾向にある。EUでは、消費されたプラスチックのわずか29％がリサイクルされている。^[19]リサイクル施設や埋立地に届かないプラスチックは、廃棄物の偶発的な投棄、輸送中の損失、または船からの直接廃棄により、海洋環境に蓄積される。^{[19] 2010年には、400万〜1,200万メートルトン（Mt）の}プラスチック廃棄物が海洋生態系に流入したと推定された。^[20]

より小さく目立たないマイクロプラスチック粒子は、1960年代から海洋に蓄積しています。^[21]マイクロプラスチック汚染に関する最近の懸念は、農業におけるプラスチックフィルムの使用です。食糧生産を増やすために、毎年740万トンのプラスチックフィルムが使用されています。^[22]科学者は、プラスチックフィルムの表面で7〜14日以内に微生物バイオフィルムが形成され、私たちが摂取している土壌や植物の化学的性質を変える可能性があることを発見しました。^[23]マイクロプラスチックは、大気の循環により北極でも記録されています。^[24]

大規模な配列解析研究により、プラスチスフェア内の種の豊富さが減少しているため、周囲の土壌サンプルと比較してプラスチスフェア内のアルファ多様性が低いことが判明しました。 ^{[25] [26] [27] [28]}ポリマーフィルムの破片はさまざまな方法で微生物に影響を与え、プラスチスフェア内の微生物の増殖率にさまざまな影響を及ぼします。^{[25] [28] [29]}特定のポリマー分解細菌は、分解の結果として有毒な副産物を放出し、他の種によるプラスチスフェアの定着を抑止します。^[25]系統発生の多様性も、近くの土壌サンプルと比較してプラスチスフェアで減少しています。^[25]

プラスチスフェア内の細菌および微生物群集は周囲の土壌サンプルで見つかったものとは大きく異なり、生態系内に新たな生態学的ニッチを形成している。 ^{[25] [30] [31]}フィルムの破片によって引き起こされる細菌の特定の増殖は、ユニークな細菌群集形成の主な原因である。^{[25] [ 32]}プラスチスフェア内の細菌群集構成の経時的変化も、周囲の土地の変化を引き起こすことが示されている。^{[25] [28] [33]}

プラスチスフィアの多様性に影響を与える要因を調べた別の研究では、研究者らは、最も多くの独特な微生物が青いプラスチック片を好む傾向があることを発見した。^[34]

2024年の論文では、海洋プラスチスフェアにおける生物の定着と遺伝的多様性を研究することを目的として、大西洋と地中海で行われた実験について説明されている。この論文では、プラスチック内で孵化するクマムシが特定されている。^[35]

特定の細菌がポリマーを分解する能力は、プラスチスフェア内でのそれらの細菌の繁殖を促進する。プラスチックの微小破片のない土壌サンプルと比較してプラスチスフェアでの存在が増加している細菌門には、アシドバクテリア、放線菌、バクテロイデス、クロロフレキシ、フィルミクテス、プランクトミセス、プロテオバクテリアが含まれる。^{[25] [36] [37] [38] [39]}さらに、根粒菌目、ロドバクテリア目、スフィンゴモナデール目の細菌はプラスチスフェアに豊富に存在している。^[25]プラスチスフェア内の独特な細菌群集構成内の相互作用は、局所的な生物地球化学的循環と生態系の食物網の相互作用に影響を与える。

プラスチスフェアの細菌群集は代謝が強化されている。^{[25]プラスチスフェアサンプルの} KEGGパスウェイエンリッチメント解析では、遺伝的および環境的情報処理、細胞プロセス、生物システムの増加が実証されている。^[25]プラスチスフェアのコミュニティの強化された代謝機能には、窒素代謝、インスリンシグナル伝達経路、細菌分泌、有機リン化合物代謝、抗酸化物質代謝、ビタミンB合成、走化性、テルペノイドキノン合成、硫黄代謝、炭水化物代謝、除草剤分解、脂肪酸代謝、アミノ酸代謝、ケトン体経路、リポ多糖合成、アルコール分解、多環芳香族炭化水素分解、脂質代謝、補因子代謝、細胞増殖、細胞運動、膜輸送、エネルギー代謝、異物代謝などがある。^{[25] [39] [40] [41]}

プラスチスフェア内に炭化水素分解細菌などの炭化水素分解種が存在することは、プラスチスフェアと炭素循環の間に直接的なつながりがあることを示している。^{[25] [42] [43]}

メタゲノム解析によると、炭素分解、窒素固定、有機窒素変換、アンモニア酸化、脱窒、無機リン可溶化、有機リン鉱化、リントランスポーター生成に関わる遺伝子がプラスチスフェアに豊富に存在し、プラスチスフェアが生物地球化学循環に影響を及ぼす可能性があることが示されています。^{[25] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50]}生分解能力と炭素、窒素、リン循環における役割によりプラスチスフェアに存在する特定の細菌門には、プロテオバクテリアとバクテロイデスが含まれます。^{[25] [42] [43] [51] [52]}一部の炭素分解細菌はプラスチックを食料源として利用できます。^{[53] [54]}

南太平洋での研究では、プラスチックスフィアのCO2とN2Oへの寄与の可能性が調査され_、プラスチックスフィア_による温室効果ガスの寄与はかなり低いことが確認されました。しかし、温室効果ガスの寄与は栄養塩濃度の程度とプラスチックの種類に依存するという結論が出ました。^[55]

プラスチスフェアサンプルのKEGGパスウェイエンリッチメント解析では、ヒト疾患に関連する配列がプラスチスフェアに豊富に含まれていることが示唆されている。^[25]コレラの原因となるコレラ菌、癌経路、トキソプラズマ症の配列はプラスチスフェアに豊富に含まれている。^{[13] [25]}病原細菌は、有機汚染物質がバイオフィルムに吸着し、栄養として利用されることで、プラスチスフェアに生息し続けている。^{[25] [39] [40]}現在の研究では、プラスチスフェアと呼吸器ウイルスの関係や、プラスチスフェアが環境中でのウイルスの持続性と生存に影響を与えるかどうかを特定することも目的としている。^[56]

プラスチスフェアに存在する微生物の中には、プラスチック材料を分解する能力を持つものがある。 ^[19]これは潜在的に有利なことかもしれない。科学者は、何世紀にもわたって環境に残るプラスチックを微生​​物で分解できるかもしれないからだ。^[57]しかし、プラスチックが細かく分解されて最終的にマイクロプラスチックになると、プランクトンに食べられて食物連鎖に入る可能性が高くなります。^[58]プランクトンがより大きな生物に食べられると、最終的に人間が食べる魚や他の海洋生物にプラスチックが蓄積される可能性があります。 ^[58]次の表は、生分解能力を持つ微生物の一部を示しています。^[19]

多くの場合、微生物によるプラスチックの分解プロセスは非常に遅いです。^[19]しかし、科学者はこれらの生物の遺伝子組み換えに取り組んでおり、プラスチックの生分解性を高めようとしています。たとえば、イデオネラ・サカイエンシスは、 PETをより速い速度で分解するように遺伝子組み換えされています 。^[68]複数の化学的および物理的な前処理も、さまざまなポリマーの生分解度を高める可能性があることが実証されています。たとえば、紫外線またはc線照射処理は、特定のプラスチックの生分解度を高めるために使用されています。^[19]

• プラスチボア
• 北太平洋環流
• ゴミの塊
• プラスチック汚染

• 「プラスチックスフィアへようこそ」。エコノミスト誌、2013年7月20日。
• Dunning B (2008 年 12 月 16 日)。「Skeptoid #132: サルガッソー海と太平洋ゴミベルト」。Skeptoid。
• Dvorsky G (2013 年 11 月 13 日)。「プラスチック廃棄物に発見された新しい生命が「プラスチスフィア」を生み出す」io9。
• マーシャル M (2013 年 7 月 2 日)。「プラスチスフィアの微生物は漂流物の破片に乗って海へ」。ニューサイエンティスト。