河岸泥土在不同湿度下对微塑料的反应

摘要：气候变化改变了河岸沉积物的湿润状态，影响微生物群落响应和生物地球化学过程。微塑料（MPs）几乎入侵了地球上所有生态系统，构成了重大环境风险。然而，我们对不同湿润状态下沉积物生态系统对MPs暴露的响应机制知之甚少。本研究选择了三种不同湿润状态的沉积物，探索了生态系统对聚乳酸（PLA）MPs暴露的差异响应。研究发现，PLA MPs暴露直接影响了沉积物生态系统中的生物地球化学过程，并显著改变了微生物群落。此外，PLA MPs作为病原物种的传播媒介，可能放大了生态系统的扰动。

背景：全球塑料产量在五年内增长了近15%，达到4亿吨。塑料进入环境后会老化和破碎，形成微塑料（MPs）。MPs能吸附其他污染物，如抗生素和重金属，干扰生物地球化学循环，对全球生态系统健康构成威胁。河岸沉积物是全球生态系统的重要组成部分，对元素循环和能量流动有着重要影响。气候改变导致的湿润状态变化，如长期淹没、干旱和交替湿润干燥，会影响微生物群落和生物地球化学过程。

主要结果

一、PLA MPs暴露对沉积物化学性质和酶活性的影响：

化学性质变化： 当河岸沉积物被水淹没时，加入聚乳酸（PLA）微塑料后，沉积物中的溶解性有机氮（DON）、硝酸盐氮（NO3−-N）和铵态氮（NH4+-N）含量显著降低，而总磷（TP）和溶解性有机碳（DOC）含量则增加。这表明微塑料的加入直接影响了沉积物中营养元素的循环和分布。

酶活性变化： 微塑料的加入还显著增强了沉积物中蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性。这些酶在生物地球化学循环中扮演重要角色，比如蔗糖酶参与有机物的分解，脲酶参与氮循环，磷酸酶参与磷循环。

不间断电源它们被认为是利用一系列有机物质作为碳源，并表现出良好的污染物降解技能，为环境修复和保护提供了更多的可能性（Ma et al. 2023）。火锅和Clostridium_sensu_stricto_10仅在w组中显著富集。这可能是因为淹没状态提供了一个厌氧环境，而PLA MPs为微生物提供有机物（Fang et al. 2021）。此外，已经发现芽孢杆菌和Norank_f__Vicinamibacteraceae参与了氮循环（Wei et al. 2024a）。其中许多属于反硝化菌，因此相对丰度的增加可能导致沉积物中硝酸盐−-N的损失（Wang等，2022b；Wei等，2024a）。有趣的是，W-D组的物种在实验开始（第0天)和实验结束（第60天)具有相似的相对丰度。结果表明，微生物群落对PLA MP暴露具有较强的抗性和弹性。在另一项研究中也发现了类似的结论，Cordero等人观察到微生物群落通常对温和的干旱具有抗性，并从干旱中迅速恢复

二、微生物多样性和组成变化：

多样性指数变化： 微塑料的暴露改变了沉积物中微生物群落的多样性指数，这个指数反映了微生物群落的丰富度和均匀度。不同湿润状态的沉积物对微塑料的响应不同，显示出微生物群落对环境变化的敏感性。

(a)不同培养时间下沉积物中的微生物共现网络。（b-h）网络拓扑属性与孵化时间之间的关系，包括总节点(b)、总链路(c)、平均度(d)、密度(e)、负链路比(f)、平均路径长度(g)、模块化(h)和随机去除鲁棒性(i)。

三、微生物共现网络的变化：

网络复杂性增加： 微塑料的暴露使得微生物共现网络变得更加复杂。共现网络描述了微生物之间的相互作用，包括合作和竞争关系。微塑料的加入增加了网络中正边（合作关系）的比例，减少了负边（竞争关系）的比例，这可能意味着微生物群落的相互作用模式发生了变化。

图3（a，b）通过零模式框架评估了确定性过程和随机过程的相对贡献；(c)来自三种沉积物类型的微生物群落的中性群落模型。实黑线表示模型预测，虚线表示95 %的置信区间。蓝点表示观测到的asv频率高于模型预测，而红点表示该频率低于模型预测。

四、微生物群落装配过程的变化：

从确定性到随机性： 微塑料的暴露导致微生物群落装配过程从确定性过程（受环境过滤和物种间相互作用控制）向随机过程（如物种的随机出生、死亡和扩散）转变。这种转变表明，微塑料可能增加了微生物群落构建过程中的随机性，使得群落结构和功能更加不稳定。

图4 （a，b）通过传真法预测的沉积物微生物群落的潜在功能。在*p <值为0.05时，我们认为差异显著。**p < 0.01, ***p < 0.001.(c)所有研究样本中动物、人畜共患和植物病原体的总相对丰度。(d)不同类型沉积物中病原菌相对丰度的比较。

结论：研究显示，微塑料对泥土中的生命活动和微生物家族构成了重大影响。湿度的变化也会影响泥土对微塑料的反应。特别是那些长期被水淹没的泥土，面临的环境风险更大。而那些时而湿时而干的泥土，对微塑料的抵抗力和恢复力更强。这项研究帮助我们更好地理解了泥土生态系统如何应对微塑料的挑战，并强调了不同湿度下泥土反应的差异。

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122823