科研丨中科院城市环境所: 酚甲醛相关微塑料对土壤微生物群落、组装和功能的影响(国人佳作)

编译：微科盟Liquor，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读   越来越多的研究探索了塑料污染物对各种生态系统中细菌群落、多样性和功能的影响。然而，微塑料(MPs)对真核生物群落、微生物组装和相互作用的影响了解有限。本文研究了不同浓度酚甲醛相关MPs(PF-MPs)土壤中细菌和微型真核生物群落及其功能，并揭示了土壤性质、微生物群落组装以及微生物间相互作用等因素的影响。本研究结果表明，高浓度(1%)PF-MPs降低了微生物相互作用和确定性过程对微生物群落组装的贡献，从而改变了细菌群落(而非真核生物)。N2O排放速率与硝化相关功能基因之间呈显著负相关关系，表明功能微生物之间的竞争性相互作用会影响土壤生态系统的氮循环。研究还发现，在高浓度PF-MPs处理下，植物生物量略有下降，且与微真核生物群落多样性和细菌群落功能多样性呈正相关。这些结果表明，高浓度的PF-MPs通过改变微生物群落、相互作用、真核生物和功能多样性来影响作物生长。本研究结果为酚甲醛的农业管理提供了重要证据，并提示我们必须考虑PF-MPs在田间的积累对土壤微生物群落组成、多样性和组装的威胁。  

图文摘要      

论文ID

原名：Effect of Phenol formaldehyde-associated microplastics on soil microbial community, assembly, and functioning

译名：酚甲醛相关微塑料对土壤微生物群落、组装和功能的影响

期刊：Journal of Hazardous Materials

IF：14.224

发表时间：2022.10

通讯作者：苏建强，李虎

通讯作者单位：中国科学院城市环境研究所宁波观测研究站

DOI号：10.1016/j.jhazmat.2022.130288

实验设计

结果

1 不同处理的土壤性质

本研究发现，酚甲醛相关微塑料(PF-MPs)的添加改变了土壤性质(表1)。PF-MPs降低了土壤pH值，特别是在其浓度较高时，例如，P10处理导致生菜的土壤pH值从5.54降到4.94。种植樱桃萝卜的土壤总碳含量为20.77 ~ 30.30 mg/kg，种植生菜的土壤总碳含量为19.88 ~ 31.05 mg/kg。PF-MPs显著提高了土壤TC和C/N比值。PF-MPs对土壤性质的影响取决于蔬菜种类。PF-MPs显著(p < 0.05)提高了生菜处理的TN和NOx-N(亚硝酸盐+硝酸盐)浓度，而樱桃萝卜处理中PF-MPs对TN和NOx-N无显著影响。

表1 不同处理土壤的化学性质测定。

2 微生物α多样性和群落组成

对于种植樱桃萝卜土壤中的细菌群落，与CK和P1处理相比，在1% PF-MPs (P10处理)中观察到显著更低的细菌多样性(p < 0.05)(图1a)。对于种植生菜土壤中的微型真核生物群落，P10处理的Shannon指数显著(p < 0.05)低于CK处理(图1b)。生菜和樱桃萝卜之间细菌或微型真核生物的多样性没有显著差异。 在细菌群落中，放线菌门、变形菌门和绿弯菌门占优势，子囊菌门和毛霉菌门在微真核生物群落中占优势。优势细菌科为Gemmatimonadaceae，其次为Micromonosporaceae和Nocardioidaceae(图2a)；在微型真核生物群落中，优势菌科为Hypocreaceae和Chetomiaceae(图2b)。DESeq2分析显示，在PF-MPs处理中，17个与细菌相关的科(Burkholderiaceae和Pseudomonadaceae)和8个与微型真核生物相关的科(Thermomonosporaceae和Trichocomaceae)的相对丰度增加(图2c)。随着PF-MPs添加浓度的增加，Burkholderiaceae和Thermomonosporaceae的相对丰度增加。 NMDS分析显示，P10处理与其他处理(即CK和P1处理)之间细菌群落模式(图3a)有显著差异(p = 0.001)，而微型真核生物群落(图3b)被蔬菜种类(即樱桃萝卜和生菜)显著(p = 0.002)分离，但PF-MPs的浓度没有影响。总碳(TC)、碳氮比(C/N)和pH分别解释了细菌群落变异的5.24%、7.14%和3.50%(图3c)，而铵态氮(NH4+-N)和蔬菜种类(VS)显著(p < 0.05)影响了微型真核生物群落结构，分别解释了36.77%和13.42%的微型真核生物群落变异(图3d)。

  图1 不同处理土壤细菌(a)和微型真核生物(b)群落Shannon指数。*和**分别表示P < 0.05和P < 0.01。

图2 不同浓度PF-MPs处理的土壤中细菌(a)和微型真核生物(b)群落的组成，以及PF-MPs处理富集的25个细菌门和真核微生物门(c)。 气泡的大小反映了相应处理中门水平微生物的相对丰度。    

图3 不同处理土壤中细菌(a)和微型真核生物(b)群落的结构以及影响细菌(c)和微型真核生物(d)群落的因素。基于Bray-Curtis距离的非度量多维尺度分析(NMDS)显示了土壤微生物群落的分布。RDA图(c和d)中的维恩图显示了土壤性质和蔬菜对细菌(c)和微型真核生物群落(d)变化的相对贡献。TC:全碳；C/N:总碳/总氮比；VS:植物物种。

3 微生物群落组装及共现网络分析

随机过程对微生物群落组装的贡献在CK和P1处理中为73%，在P10处理中为81%(图S2a)，PF-MPs(图S2a)和蔬菜品种(图S2b)未显著(p>0.05)改变随机过程对土壤微生物组装的贡献。与P10处理相比，CK和P1处理的微生物网络显示出更高的平均加权度(AWD)和边数量(图4a和4b)。生菜土壤微生物共现网络的AWD和边数量(图4d)高于樱桃萝卜土壤微生物的共现网络(图4c)。P10处理的网络正相关比为54.12%(图4b)，高于CK和P1处理(图4a)。然而，蔬菜种类对土壤中微生物之间的负相关比例没有显著影响(图4c和4d)。

图4 不同处理(a: CK和P1处理；b: P10处理；c:种植樱桃萝卜的土壤；d:种植生菜的土壤)壤中微生物ASV的共现网络。圆圈的大小表示土壤细菌群落中细菌ASV的相对丰度和微型真核生物群落ASV的相对丰度。粉色：细菌；蓝色：微型真核生物；红边：负相关；绿边：正相关，

4 与碳氮循环相关的活性和功能基因

CK和P1处理的CO2排放速率分别为0.06±0.01 ~ 0.09±0.01 μmol g-1 dw h-1，显著(p < 0.001)低于P10处理(0.12 ~ 0.13 μmol g-1 dw h-1)，但蔬菜品种对土壤CO2排放无显著影响 (p = 0.088)(图5a)。与CK和P1处理相比，P10处理N2O排放显著降低(p < 0.05)(图5b和5c)。不同处理间土壤N2排放和N流失差异不显著(p > 0.05)(图5b和5c)。

通过使用QMEC芯片测定的碳、氮、硫和磷循环相关功能基因的绝对丰度来计算功能多样性。结果表明，功能多样性，即Shannon指数，在处理之间和蔬菜种类之间没有显著差异(p>0.05)(图S3)。与CK和P1处理相比，细菌16S rRNA基因和与碳降解和反硝化相关的基因在P10处理中增加，但不显著(图S4)。然而，在樱桃萝卜土壤中，P10处理与其他处理之间的硝化相关基因和AOB amoA基因丰度存在显著差异(图6)。在生菜土壤中，P10处理中只有Lig基因的丰度(图6)显著(p < 0.05)低于CK和P1处理。CO2排放率与AbfA基因和细菌16S rRNA基因呈正相关(p<0.05)(图S5a)。N2O排放速率与硝化相关基因的丰度呈显著负相关(p<0.05)(图S5b)。

图5 PF-MPs处理土壤的气体排放。不同处理的土壤CO2排放(a)；种植樱桃萝卜(b)和生菜(c)土壤的N2O和N2排放。p值采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验。

图6 不同浓度PF-MPs处理的土壤中的功能基因绝对丰度存在差异。*(P<0.05)和**(P<0.01)表明种植樱桃萝卜或生菜的处理土壤之间存在显著差异。

5 植物生物量及其相关影响因素

樱桃萝卜的干重在CK处理的1.21±0.34 g到P10处理的1.05±0.40 g之间，与CK处理相比，MPs处理有微弱但不显著的下降(图7a)。对于生菜，CK处理的干重(0.51±0.16 g)高于P1 (p = 0.03)和P10处理的干重(0.24±0.11g)(图7a)。为了评估生物因子对植物生长的影响，本研究检测了蔬菜生物量、微生物α-多样性和功能多样性之间的相关性。微型真核生物(图7b)和功能多样性(图7c)与蔬菜生物量呈显著正相关。

图7 不同处理蔬菜生物量(a)及影响蔬菜生物量的因素。蔬菜生物量与 微型 真核生物多样性的相关性(b)、蔬菜生物量与细菌群落功能多样性的相关性(c)表明了微型真核生物和细菌功能多样性对蔬菜生物量的影响。用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验图(a)中的p值。    

讨论

本研究表明，高浓度的PF-MPs影响细菌群落、微生物功能以及细菌和微型真核生物群落的组装。我们进一步发现，植物生物量与微型真核生物和细菌功能多样性分别呈正相关。这些结果表明，在PF-MPs浓度较高的处理中，微生物多样性和功能多样性的降低可能会对植物生长产生负面影响。 高浓度的PF-MPs显著影响细菌群落，表明PF-MPs的积累可以在短时间内改变细菌群落。PF-MPs对土壤微生物群落的长期影响也可能与PF-MPs的化学变化有关，这在本研究中没有考虑到。

此外，我们的研究结果表明，细菌和微型真核生物群落对PF-MPs和蔬菜物种表现出明显不同的反应。这些结果得到了之前研究的支持，表明具有不同MPs的原核生物和微型真核生物的群落由于其大小、倍性和结构复杂性的异质性而发生不同的变化。 本研究进一步发现，与pH相比，碳源(即TC和C/N比)在影响细菌群落方面发挥了更重要的作用。土壤中的大多数微生物是异养的，它们对与PF-MPs相关的可溶性淀粉的偏好可能部分解释了碳对细菌群落的影响。此外，樱桃萝卜和生菜根系分泌物和碳变化的差异可能导致种植不同蔬菜的两个处理之间碳源多样性和丰度的差异。碳源的多样性和丰度已被检测为调节不同系统中微生物群落的关键因素。此前的一项研究也表明，微型真核生物群落在不同植物覆盖的土壤(如森林、草甸和农田)中存在差异，这支持了本研究中蔬菜物种影响微型真核生物群落的结果。另一个可能的原因是一些对PF-MPs具有降解能力的类群的富集。在本研究中，包括Burkholderiaceae和Thermomonosporaceae在内的关键细菌的相对丰度随着PF-MPs浓度的增加而增加，表明这些细菌科可能是土壤中PF-MPs降解的重要功能微生物。先前的研究表明，Burkholderiales和Thermomonospora是芳香化合物、酚类物质、聚乳酸型生物塑料生物降解的潜在功能微生物。除细菌外，一些真菌(如子囊菌门的Trichocomaceae和Pyxidiophoraceae)和原生动物(如Nassophorea和Prostomates)在经过PF-MPs改良的处理中明显比CK处理更丰富，表明微型真核生物在降解PF-MPs相关材料中的功能。 除了直接作用外，PF-MPs还会通过影响微生物群落的组装来改变微生物群落。尽管随机过程对土壤中微生物群落的组装起着主导作用(图S2)，但微生物ASV之间生物相互作用的变化也不可忽视。

高浓度(1%)的PF-MPs降低了土壤微生物相关性，这可能与土壤中与PF-MPs相关的某些特定有机化合物的显著增加有关。这一结果得到了之前一项研究的支持，该研究表明，与由不同植物物种分泌的各种有机化合物的森林土壤相比，具有高浓度特定有机化合物(即葡萄园的根系分泌物)的葡萄园土壤中微生物相互作用显著减少。我们推测，来自PF-MPs的特定化合物可能会选择并富集特定的微生物，从而导致微生物多样性的减少(图1)，最终导致某些物种的某些特定相互作用或生态位。PF-MPs改变了土壤碳源组成，导致微生物多样性和在碳源上的协同作用减少。微生物多样性的减少及其相互作用的减少会反过来增加外部微生物的入侵可能性和随机过程对微生物群落组装的贡献(图S2)。我们进一步发现，在高浓度PF-MPs处理的土壤中，负相关的比例增加。这一结果可能与P10较高的C/N水平导致微生物对氮的限制，进而增加了微生物对氮源的竞争有关。 微生物群落和群落组装的变化随PF-MPs的变化而改变，从而影响土壤中微生物驱动的碳氮循环。PF-MPs显著增加了CO2的排放，这与AbfA基因和细菌16S rRNA基因的丰度分别显著正相关。这说明AbfA基因编码的α-L-AFase和细菌呼吸作用在土壤碳流失中起重要作用。此外，我们发现P10处理的N2O排放显著降低。在我们的研究中，高浓度的PF-MPs含有大量N源(即氨和尿素)，增加了土壤氮库，为硝化提供燃料(图6)。然而，较高的C/N可能抑制反硝化，从而降低N2O排放。此外，与反硝化过程相关的基因在淹水土壤中占主导地位，如水稻土，而在我们的研究中，与硝化相关的基因与反硝化相关的基因相当(图S4)。结果表明，氮化基因的丰度增加，氮化基因与N2O排放呈显著负相关。在各种土壤中，N2O的产生主要由反硝化作用贡献，而与硝化相关的微生物由于争夺限制NO2--N而抑制了反硝化作用的产生。 土壤中与PF-MPs相关的微生物组装、群落和功能的变化可能影响蔬菜的生长。在本研究中，蔬菜生物量随着土壤中PF-MPs浓度的增加而减少，表明PF-MPs对蔬菜生长有负面影响。既往研究证明了生态系统功能(如植物生物量)与土壤微生物群落多样性之间的正相关关系。本研究发现，随着PF-MPs的变化，微型真核生物多样性与两种蔬菜物种的生物量呈显著正相关，表明PF-MPs会通过减少微型真核生物多样性对植物生长产生不利影响，而微型真核生物多样性已被证明是土壤和植物健康的一个重要指标。除了微型真核生物群落的多样性外，细菌的功能多样性也会促进蔬菜的生物量。具有不同功能基因的微生物可以加速元素的转化，提高植物对元素(如C、N、P、S)的可利用性。    

结论

本研究检测了不同浓度的PF-MPs对微生物群落、组装、功能和蔬菜生长的影响。本研究发现，高浓度(1%)PF-MPs对土壤中细菌群落有显著影响，但只对真核生物α-多样性有显著影响。虽然随机过程对微生物群落的组装起着主导作用，但环境因素尤其是C/N和TC在微生物群落的组装和相互作用中起着至关重要的作用，表现为高PF-MPs土壤中微生物类群间的相互作用减弱。高浓度PF-MPs处理下CO2和N2O排放量分别增加和减少。PF-MPs的积累还通过降低土壤中微型真核生物和细菌功能多样性对植物生物量产生负面影响。这些结果表明，高浓度的PF-MPs积累会显著改变土壤细菌群落，减少微生物相互作用和蔬菜生物量。长期使用PF-MPs对土壤的潜在风险应引起重视。