人为扰动环境下湖泊PLA/PBAT可降解微塑料降解特征及其生物膜群落结构和功能

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微塑料(Microplastics,MPs)广泛存在于微生物驱动的生物地球化学循环中,其表面富集独特的微生物群落,构成微塑料圈(plastisphere)。与天然底物相比,微塑料为生物膜的发展提供了额外的碳源,生物膜的微生物群落结构和功能会不同。作为减轻环境污染方面替代传统塑料的重要产品,PLA/PBAT(聚乳酸/聚对苯二甲酸/己二酸丁二酯)生物可降解塑料在人类生活中的应用愈加广泛,但其在环境变化下的降解过程及其生物膜群落特征及功能鲜有研究。本文从水体环境扰动和微生物生态学角度出发,在江苏南京莫愁湖设置了包括对照组(Control)、氮添加(N)、沉水植物(Plant)、刈割(Cut)、刈割+氮(Cut+N)、沉水植物+氮(Plant+N)、自然源水(Nature)在内的不同环境要素组合条件下可生物降解微塑料(Biodegradable Microplastics,BMPs)降解的原位控制实验,利用高通量测序技术、傅里叶红外光谱、酶活性检测和微生物功能注释等技术,系统研究了城市湖泊不同环境组合条件下BMPs塑料的降解特征、生物膜群落组成和多样性、生态功能及其驱动因素。获得以下结果:(1)N添加及沉水植物改变了水体的营养状态,表现为添加N营养盐显著提高了水体氮素含量,而沉水植物的存在显著降低了总溶解磷、硝态氮含量。水体富营养化程度:Cut+N>N>Plant+N>Plant>Cut>Control>Nature。富营养化程度较高的组别,其塑料降解率W(%)也越高,该结果进一步被傅里叶红外光谱和扫描电镜印证,即添加氮素实验组中,如N、Cut+N和Plant+N组,塑料化学结构被改变,表现为塑料官能团酯基的峰强降低,羟基峰强度升高,塑料羟基含量的变化与水体氮磷营养盐呈正相关。(2)BMPs细菌共享了一个核心微生物组:变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门、绿弯菌门均为各组别优势门。主成分分析(PCoA)及细菌属韦恩图发现了 BMPs细菌组成的差异,尤其是Plant+N组与其他组别的属分布明显不同,表现为显著增加了红杆菌属的丰度。(3)N添加显著降低BMPs细菌alpha多样性,而沉水植物的存在会显著升高细菌多样性。随着BMPs降解率W(%)的增加,BMPs细菌多样性增加,即复杂多样的生物膜利于可降解塑料的降解。氮添加和沉水植物显著改变BMPs细菌的网络共生格局,比如Cut组增加了细菌间的竞争关系。氧化还原电位、磷酸盐、总溶解性磷、总溶解性氮均是驱动BMPs细菌群落结构和多样性的重要因素。(4)添加氮和沉水植物显著改变了 BMPs细菌碳氮磷硫相关酶活性。生态系统多功能性(EMF)排序:Plant+N>Cut+N>N>Cut>Nature>Plant>Control。BMPs 细菌香农多样性与C、N、P、S循环单一生态系统功能存在显著相关性,其中,与碳、氮、硫循环酶活性呈显著正相关,与酸性磷酸酶活性呈显著负相关(P<0.05)。pH、溶解氧、氧化还原电位、化学需氧量、氮磷物质是生态系统多功能性的变化的主导驱动因素。FAPROTAX功能预测分析结果表明,BMPs细菌主要参与了化能异养、光自养和芳香族化合物降解等物质代谢过程,与酶活性结果相互补充。以上这些代谢过程与总溶解性磷、硝态氮、磷酸盐、氧化还原电位、pH等因素显著相关(P<0.05)。综上所述,氮添加及沉水植物的不同组合造成的环境扰动,会造成BMPs相关生物膜的群落结构和生态功能发生重大变化。BMPs表面是淡水微生物的新生态位,并且不断增加的人类活动和微塑料污染有可能通过改变生物膜代谢活动来影响水生生态系统功能。
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