双因素研究：湿地类型与季节对微塑料生物膜的影响
双因素研究：湿地类型与季节对微塑料生物膜的影响
近年来，随着塑料污染问题日益严重，微塑料（MPs）在环境中的分布和影响引起了广泛关注。微生物可以定植到微塑料表面形成生物膜，即"塑料圈"，从而显著改变微塑料的理化特性和生态作用。然而，目前对湿地生物膜的特征及其深层机制（相互作用、组装和生物地球化学循环）缺乏全面的视角。本研究在一个拥有不同类型湿地的公园中进行了原位生物膜形成实验，分别在夏季和冬季通过外源添加聚氯乙烯多孔塑料，来探究湿地中微塑料表面生物膜的形成、细菌群落组装和生化循环机制。
研究背景
微生物可以定植到微塑料（MP）表面形成生物膜，即 "塑料圈"，从而显著改变微塑料的理化特性和生态作用。然而，目前对湿地生物膜的特征及其深层机制（相互作用、组装和生物地球化学循环）缺乏全面的视角。本研究在一个拥有不同类型湿地的公园中进行了原位生物膜形成实验，分别在夏季和冬季通过外源添加聚氯乙烯多孔塑料，来探究湿地中微塑料表面生物膜的形成、细菌群落组装和生化循环机制。
研究方案
- 双因素：不同季节(夏天/冬天)+不同地点(人工森林湿地CF、荷花池湿地LP、天然湖泊湿地NL和水竹湿地WB)
- 样品类型：不同类型湿地土壤、聚氯乙烯微塑料（PVC MPs）
- 扩增子测序：土壤细菌多样性测序，V3-V4区（341F-806R）
实验结果
1.不同湿地类型和季节的生物膜特性分析
通过观察SEM（扫描电子显微镜）图像和测量EPS（胞外聚合物）含量等指标，发现夏季的湿地类型CF和WB中，塑料微粒表面的微生物数量和EPS含量均较高，而冬季的湿地类型LP中，塑料微粒表面的微生物数量和EPS含量也较高（图1a-c）。此外，通过对接触角的测量，还发现塑料微粒表面的湿润程度也受到季节和湿地类型的影响（图1d）。
图1 不同湿地和季节MPs生物膜的SEM、EPS
根据CLSM（共聚焦激光扫描显微镜）的荧光照片，夏季MPs表面的生物膜比冬季更丰富（图2a）。在CF湿地中发现更多的EPS和活性细菌，而在WB湿地中则发现了更多无活性的细菌。无论在夏季还是冬季，从CF湿地获得的MPs中的EPS含量最高（图2b）。EEM光谱分析，显示了夏季塑料圈生物膜的EPS以腐殖酸和富维酸为主（图2c）。相反，与夏季相比，冬季塑料圈生物膜的腐殖化程度明显降低（图2c）。
图2 不同湿地和季节塑料圈生物膜的CLSM荧光图、EPS及EEM光谱分析
2.不同湿地类型和季节的微生物群落多样性
通过对不同湿地类型和季节下MPs上的生物膜以及相关土壤中微生物群落的研究发现，同一季节不同湿地间细菌群落α多样性差异不显著，无论是土壤还是塑料圈（图3）。相比之下，湿地对土壤和塑料圈的细菌群落组成有显著影响(图4a-b)。此外，湿地内土壤和塑料圈细菌群落的变化分别在LP和NL湿地中最低(图4c-d)。冬季不同湿地的塑料圈中还发现了4种不同丰度的细菌属：CF湿地的塑料圈中Geobacter含量较高，而NL湿地的塑料圈中Leptothrix、Pseudorhodobacter和Sphingorhabdus含量较高(图4e)。
图3 不同季节不同湿地土壤和塑料圈细菌群落alpha多样性
图4 土壤和塑料圈细菌群落β多样性及相对丰度差异
3.细菌群落的共生网络和组装机制
通过对不同季节和湿地类型中土壤和微塑料表面微生物群落的比较分析，发现土壤细菌群落的复杂性都远高于塑性圈，并且其共存网络的结构也更加稳定。进一步计算共现网络稳定性的三个指标，结果表明夏季塑料球细菌群落网络不稳定（图5a-d）。此外，研究还揭示了微塑料对微生物群落组装过程的影响，表明微塑料增加了微生物群落的异质选择力，从而影响了微生物群落的组装机制（图5e）。
图5 土壤和塑料圈共生网络及群落组装分析
4.塑料圈与土壤细菌群落生物地球化学循环功能差异
通过对塑料圈和土壤样本中的微生物群落进行功能基因分析，发现季节和湿地类型会对微生物群落的功能基因产生影响。在碳降解方面，与夏季土壤相比，塑料圈中CDH、xylA和manA含量显著增加（图6a）。夏季，固碳基因acsA、氮循环基因nosZ和有机磷吸收基因的相对丰度在塑料圈中显著增加；冬季，固碳acsB、氮循环nasA、磷循环ppk仅在塑料圈中表达（图6b-e）。在夏季和冬季，塑料圈中用于磷循环的ppx相对丰度均显著上调(图6e)。相比之下，夏季和冬季塑性圈中用于硫循环的dsrAB相对丰度均显著下调(图6f)。此外，进一步比较了不同湿地间塑料圈中基因的相对丰度，结果表明nifH、ureC、acsA、xylA等基因的相对丰度存在差异，但各基因间差异不显著(图6g)。
图6 土壤与塑料圈的生物地球化学循环基因相对丰度
研究总结
本文通过研究微塑料在不同湿地类型中生物膜形成的特点及其对生物地球化学循环的影响。结果显示，不同湿地类型及季节对微塑料表面形成的生物膜特性有显著影响。结合高通量测序，发现与土壤细菌群落相比，塑料圈的多样性较低。通过高通量qPCR对生物地球化学循环基因进行定量，发现塑料圈中涉及碳降解、固碳和反硝化的基因相对丰度显着高于土壤群落。这项研究加深了我们对淡水湿地生物膜的形成及其生态效应的理解。
参考文献
Biofilms in plastisphere from freshwater wetlands: Biofilm formation,bacterial community assembly, and biogeochemical cycles .Journal of Hazardous Materials, 2024.