mSystems | 中农汪杰组揭示影响土壤“塑料际”微生物群落的机制

  摘要

  微塑料在环境中的大量积累，其表面会形成独特的生态位——“塑料际”。目前对微塑料“塑料际”的研究主要集中在水环境中，而对附着于土壤微塑料表面的微生物群落了解较少。因此，在本研究中，作者主要关注两种类型(可生物降解聚乳酸PLA和不可生物降解PE)微塑料在两种不同类型的土壤中，其塑料际微生物群落特性，并探究温度对其特征的影响。经过60天的培养后，微塑料表面的微生物?多样性较低，且塑料际的微生物群落组成和土壤存在显著差异。温度是显著影响塑料际群落组成关键因子。共现网络分析表明PE塑料际网络的复杂度和稳健度更高。随机化比率表明随机性过程对PE和PLA塑料际的群落构建具有重要作用，但零模型的结果表明确定性过程对群落构建也具有不可忽视的作用。PLA微塑料表面受到同质选择的影响更大，这可能是PLA发生降解后其降解产物对微生物的选择所导致的。本研究结果能够帮助我们更好的认识土壤环中塑料际群落组成和构建过程，对认识微塑料的微生态学和风险管控具有重要意义。

  背景

  塑料具有持久性强、韧性好、价格低等多种优良特性，其全球生产量已从1950年的150万吨增加至2020年的36.7亿吨。塑料在为人类提供便捷的同时，越来越多的塑料废弃物所带来的环境问题也在得到关注。塑料在环境中受到风化作用的影响会形成小于5mm的塑料颗粒，即微塑料。目前，研究者在海洋、河流、湖泊、污泥和土壤中均发现了微塑料的存在。微塑料在水环境中的赋存和影响在近年来已得到广泛关注，然而对土壤微塑料的相关研究仍然较少。微塑料可以通过大气沉降、污水和污泥的施用、塑料地膜的覆盖等多种途径进入土壤，已有的研究表明土壤微塑料会对土壤环境和土壤生物产生不利影响。

  微塑料由于其疏水性较强，在环境中可作为多种微生物繁殖的独特基质，构成特殊的生态位“塑料际”。微塑料表面的微生物群落组成和结构不同于其他自然基质，已有研究表明微塑料表面存在多种潜在病原菌。微塑料表面还能富集异源化合物降解、碳循环和植物病原体等微生物。此外，微塑料还是微生物水平基因转移的热点区域，能够促进环境微生物致病性和耐药性的传播。然而上述结果多基于水环境中的研究，对土壤生态系统中塑料际的认识存在诸多不足，对土壤塑料际微生物组成和多样性构建的机制仍不明晰。本研究使用两种不同类型的土壤(黑土BS和黄土YS)和降解特性不同的PLA和PE微塑料，分别在15℃和25℃条件下进行微宇宙培养试验，来探究(1)塑料际和土壤微生物群落的差异；(2)聚合物类型和温度对土壤塑料际微生物群落的影响；(3)确定性和随机性过程对土壤微塑料群落构建的作用。

  研究结果

  1. 塑料际和土壤微生物群落的比较

  基于Bray-Curtis距离的主坐标分析(PCoA)和置换多元方差分析(PERMANOVA)发现塑料际的微生物群落组成和土壤存在显著差异，且不同类型土壤受到生态位和温度的影响存在差异(图1A&B)。我们基于Jaccard和Bray-Curtis距离计算了替代和嵌套对微生物群落差异性的贡献，结果表明物种替代对土壤和塑料际微生物群落的差异性贡献较大。

  图1. 塑料际和土壤?的多样性

  (A)在BS处理中基于Bray-Curtis差异的塑料际和土壤微生物主坐标分析(PCoA)；(B)在YS处理中基于Bray-Curtis差异的塑料际和土壤微生物主坐标分析(PCoA)；(C)在BS处理中基于Jaccard距离的?多样性的替代和嵌套差异；(D)在YS处理中基于Jaccard距离的?多样性的物种替代和嵌套差异；(E)在BS处理中基于Bray-Curtis距离的?多样性的物种替代和嵌套差异；(F)在YS处理中基于Bray-Curtis距离的?多样性的物种替代和嵌套差异。

  通过比较?多样性指数发现，在25℃条件下，塑料际的细菌丰富度、多样性和均匀度比土壤低；在15℃条件下，塑料际和土壤?多样性差异较小(图 2A&B)。在BS和YS土壤中，塑料际的微生物主要为放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和厚壁菌门。在BS土壤中，PE和PLA表面的酸杆菌门、绿弯菌门、Gemmatimonadota和Methylomirabilota的相对丰度显著低于土壤微生物群落；在YS土壤中，PE和PLA表面的厚壁菌门、Gemmatimonadota和Nitrospirota的相对丰度显著低于土壤微生物群落；温度升高显著增加了塑料际表面放线菌门的相对丰度，降低了变形菌门的相对丰度(图 2C&D)。

  图2. 塑料际和土壤的?多样性和群落组成

  (A)BS土壤和塑料际的?多样性指数(Chao1丰富度、Shannon多样性，Pielou’s均匀度和Faith’s多样性)；(B)YS土壤和塑料际的?多样性指数(Chao1丰富度、Shannon多样性，Pielou’s均匀度和Faith’s多样性)；(C)BS处理中主要门的相对丰度；(D)YS处理中主要门的相对丰度。

  2. PE和PLA塑料际的比较

  PE和PLA在门水平上的主要组成差异较小，PCoA结果显示PE和PLA在PC2轴上存在分离，但PERMANOVA结果表明聚合物类型对塑料际群落组成并无显著影响。在15℃条件下，PE和PLA的?多样性并无显著差异；但在25℃条件下，PLA的?多样性显著低于PE(图3A&B)。PLA表面能够富集聚合物降解菌可能是导致其?多样性降低的原因。

  为了进一步研究PE和PLA塑料际的差异，我们计算了基于群落水平的rRNA基因操纵子拷贝数(rrn)(图 3C&D)。在15℃和25℃时，均观察到PLA塑料际的rrn拷贝数显著高于PE；PLA塑料际的rrn拷贝数在25℃时高于15℃。这可能是由于PLA对水热变化更为敏感，在不同环境下PLA的降解不同，进而导致群落水平上rrn拷贝数的差异。

  图3. PE和PLA塑料际的比较

  (A)BS处理中，PE和PLA基于Bray-Curtis的?多样性；(B)YS处理中，PE和PLA基于Bray-Curtis的?多样性；(C)BS处理中，塑料际细菌群落的rrn拷贝数；(D)YS处理中，塑料际细菌群落的rrn拷贝数。

  微生物的网络结构能够影响群落的功能和稳定性，我们通过构建网络分析发现，25℃时塑料际的网络节点数和连接数小于15℃；但却具有更高的平均节点度、平均聚类系数，和更低的平均路径长度(图 4A)。通过计算网络的鲁棒性发现，25℃时塑料际的网络鲁棒性高于15℃；PE塑料际的网络复杂性高于PLA(图 4B&D)。PE塑料际网络的鲁棒性高于PLA、易变性低于PLA，也表明PE表面微生物群落的稳定性高于PLA(图 4C&E)。

  图4 塑料际表面微生物的网络互作

  (A)在BS和YS处理中，PE和PLA塑料际的网络互作；(B)BS处理下塑料际的鲁棒性(随机去除50%的物种后网络中剩余物种的比例)；(C)BS处理下塑料际的易变性；(D)YS处理下塑料际的鲁棒性；(E)YS处理下塑料际的易变性。

  4. 塑料际微生物的潜在来源和构建过程

  溯源分析表明塑料际的ASVs主要来源于土壤中。通过计算标准化随机率(NSTs)发现，随机性过程主导土壤塑料际群落构建，且温度升高会降低随机性过程的贡献。基于系统发育bins的零模型分析(iCAMP)发现同质选择和漂变过程主导塑料际群落构建；温度升高增加了塑料际群落同质选择和同质扩散的影响，降低了漂变过程的影响。和PE相比，PLA塑料际群落受到同质选择和同质扩散的影响更大。土壤微生物群落受到扩散限制和异质选择的影响更大，这可能是导致塑料际和土壤群落存在差异的潜在因素。

  图5 基于iCAMP分析塑料际及塑料际和土壤微生物的群落构建过程

  (A)BS处理中不同过程对微生物群落构建的贡献；(B)YS处理中不同过程对微生物群落构建的贡献。

  讨论

  本研究发现塑料际和土壤细菌群落存在显著差异，PE和PLA微塑料表面微生物群落存在一定的相似性；微生物群落主要受到温度的影响而非聚合物类型。高温能够增加塑料际和土壤细菌群落的差异性。PE塑料际的微生物群落复杂性和稳定性高于PLA，这可能是PLA降解产物的选择压力导致的。同质选择和漂变对塑料际群落构建起主导作用。未来的研究应该关注微生物如何跨越微塑料和土壤的生态边界。