本研究利用16S rRNA測序分析對塑料圈微生物群落的結構與功能進行了探究。

自然海洋環境中塑料圈微生物群落的結構和組裝機制

The structure and assembly mechanisms of plastisphere microbial community in natural marine environment

作者：Sheng-Jie Zhanga , Yan-Hua Zeng a , Jian-Ming Zhu a , Zhong-Hua Cai a,b, Jin Zhou a,b*

期刊：Journal of Hazardous Materials

時間：2021.7.30

影響因子：10.588

一、文章摘要

最近，海洋環境中微塑料(MPs)上的微生物定植特征引起了全球的興趣。然而，許多研究只是描述了塑料圈微生物群落特征，卻沒有考慮微生物群落組裝背后的生態過程。在此，作者在1周、4周和8周進行了三時間點暴露實驗，并研究了天然沿海水體中聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯5種MP顆粒的定植動力學。通過16S rRNA高通量測序，作者發現塑料圈微生物群落的多樣性和均勻性高于海水微生物群落(p < 0.05)，并且微生物定植受環境因素、聚合物類型和暴露時間的共同影響。潛在功能和共現網絡分析表明，MP暴露增強了外源生物降解潛力，降低了MP微生物網絡的復雜性。同時，零模型分析表明，隨機過程比確定性過程在塑料圈微生物群落結構的形成中發揮了更大的作用，擴散限制在更大程度上決定了微生物的演替軌跡。該研究加強了大家對塑料相關微生物在定植過程中控制微生物群落模式的生態機制的理解。

二、主要內容

1.MP暴露期間的環境參數

在實驗中評估的物理參數中，從第1周到第8周，溫度和濁度變化顯著(p < 0.05)。相比之下，鹽度和pH值無顯著差異。在化學參數中，總有機碳(TOC)在0.808 ~ 2.258 mg/L范圍內變化，第4周達到峰值，同時DO濃度達到最大值(6.84 mg/L)。此外，氮源物質(NO3、NO2和NH4+)濃度在0.0025 ~ 0.072 mg/L之間波動。

2. 不同MP基質上細菌多樣性的時間分布

經過組裝和質量過濾，75個樣本共9441864條高質量序列聚類成208646個OTUs。利用α-多樣性估計細菌群落復雜度，包括豐富度（Chao1指數）和多樣性（Shannon指數）。在1-8周內，除貝殼外的所有基質的細菌豐富度和多樣性均有增加(p<0.05)。在第1周，與浮游細菌群落相比，除PVC外，MPs上的細菌豐富度和多樣性均無顯著差異。但隨著暴露時間的延長，在第8周，MP顆粒的豐富度顯著高于海水細菌(p < 0.05)。同樣，PP和ABS也有較高的多樣性。在聚合物類型方面，第1周，PVC的多樣性較低，而在第8周，PS的豐富度和多樣性最低。綜上所述，塑料圈群落多樣性受暴露時間和聚合物類型的影響。

圖1 海水樣品和生物膜樣品中細菌群落的Chao1指數（A）和Shannon指數（B）

3.塑料圈微生物群落與環境因子的聚類分析及相關性研究

采用基于Bray-Curtis差異矩陣的NMDS方法，識別海水與塑料圈微生物群落的分離模式。三個時間點之間的細菌群落結構存在明顯的分離。海水、自然基質(木材和貝殼)和MPs之間的微生物類群在8周暴露期間具有不同的聚類分布，此外，五種類型的聚合物上的微生物聚類分布隨時間變化而變化。在初始階段（1周），塑料圈群落緊密聚集。中期（4周），MP相關菌群的置信橢圓顯著偏離了水體和自然基質中的相關菌群的置信橢圓(p < 0.05)。進入最后階段（8周），PE、PP、PS、ABS上的細菌群落置信橢圓幾乎完全重疊，說明這些材料上的細菌群落具有相似性。為了闡明環境因素對MP相關細菌群落結構的影響，作者進行了RDA分析，發現MPs上的細菌群落多樣性與鹽度、水流、pH、濁度、PO43-、NO3-呈正相關，與溫度呈負相關。此外，利用VPA分析評價環境參數對細菌分布的影響。在OTU數據中觀察到的微生物群落變化中，發現營養物、物理和化學因素分別占14.3%、8.7%和4.6%。約有62.9%的微生物種類變化不能用這些條件參數解釋，說明其他因素也影響了塑料圈群落。

圖2 不同時間點不同樣品間細菌群落多樣性的比較

4.不同暴露時間和基質類型情況下塑料圈微生物群落的分類組成

利用16S rRNA基因分析不同聚合物類型經過不同暴露時間后細菌定植的動力學過程。浮游細菌群落主要為變形菌、藍藻菌、擬桿菌、浮霉菌和厚壁菌。第1周，所有樣品中，γ-變形菌和α-變形菌都是優勢菌群，1周后，海水樣品中γ-變形菌的相對豐度顯著低于MP樣品。第4周生物膜樣品上擬桿菌(Bacteroidetes)的豐度顯著增加，第8周生物膜樣品上浮霉菌 (Planctomycetacia)的豐度顯著增加(p <0.05),表明相比生活在海水中，這些細菌更容易附著在顆粒上。另外，不同的聚合物類型之間也觀察到顯著的差異，每種類型都有一個特定的代表物種。科水平上，在初始暴露(1周)后，弧菌科、藍藻科、紅桿菌科和生絲單胞菌科(尤其是在PVC中)是5種MPs中相對豐度方面最具代表性的類群。進入第4周，，塑料和木材上黃桿菌的數量均高于貝殼。Family_XII 和Marinifilaceae 在貝殼上的分布均高于塑料。經過8周的暴露，Pirellulaceae和Cryomorphaceae 在塑料上富集，而黃桿菌科和Family_XII 在木材和貝殼上的比例分別顯著增加(2-3倍)。通過LEfSe分析識別不同MP樣本之間的生物標志物，發現一些細菌群落的生物標記物保持不變，還有一些樣品的生物標志物隨暴露時間的延長而變化。這些結果表明，標記菌屬在不同微塑料類型上的定植具有底物優先性。

圖3 不同樣品在綱(A)和科(B)水平上的相對豐度

5.塑料圈微生物群落的網絡分析

為了解細菌群落中類群之間的潛在相互作用，作者通過計算成對的Spearman相關系數（ρ>0.8），對顯著的類群進行了共現網絡分析。發現海水微生物群落的相關OTUs數量最高，其次是MPs和貝殼生物膜，木材生物膜的相關OTUs數量最低。這說明MP細菌群落網絡比海水浮游細菌更簡單。根據Newman（2006）的觀點，如果模塊化指數>為0.4，則網絡具有模塊化結構，可以分為幾個獨立的組。在本研究中，海水、MPs相關生物膜、木材/貝殼模塊化指數分別為0.981、0.459–0.992、0.647–2.847，表明形成的網絡具有模塊化輪廓。此外，高度連接的節點代表的是在保護微生物群落的生態網絡中發揮著作用的關鍵物種。利用這一標準，每個網絡中有10個OTUs被識別為關鍵種屬。塑料圈細菌群落的關鍵屬包括更廣泛的門，如變形菌門、擬桿菌門等。此外，微生物網絡關鍵物種也表現出一定的基質偏好。

圖4 海水、微塑料生物膜、木材生物膜和貝殼生物膜等微生物群落的共現性網絡分析

6.與MPs相關的微生物的潛在功能

為了研究底物類型對生物膜群落中微生物功能多樣性的影響，作者利用KEGG數據庫對16S rRNA序列進行了注釋。在比較海水和MP樣品時發現，MPs上與細胞運動、脂質代謝、細胞過程和信號傳導、外來生物降解和代謝相關的功能豐度顯著較高(p<0.05)。MPs和自然基質之間的功能圖譜也有顯著差異。利用PVC作為具有代表性的基質進行分析，發現與PVC相比，核苷酸代謝和轉錄的代謝通路在木材和貝殼上富集。當比較生物膜中微生物的預測功能時，可以觀察到五種底物類型之間的微生物功能組成存在差異，盡管這些差異的幅度相對較低。以PE和PVC 為例，與復制和修復、遺傳信息處理、聚糖生物合成和代謝相關的通路在PE上富集，而與細胞運動、細胞生長和凋亡相關的通路在PVC 上富集。這些結果表明，MPs上微生物的代謝功能不同于周圍的水體和自然基質。

圖5 海水和微塑料樣品中細菌群落(KEGG2級)的功能圖譜

7.不同基質上塑料圈微生物群落的組合

通過計算β-NTI值來評估兩種類型的細菌群落組裝（確定性和隨機性）在不同基質上的相對重要性。由于所有樣品的β-NTI值均在0.036~0.037之間，說明隨機性是影響所有測試樣品細菌群落組裝的主要因素。Venn圖顯示，超過一半的MP OTUs在海水中被觀察到，表明大量的MP附著的原核生物可能來自于周圍的水域。這些相似之處可能是由于MPs為某些傾向于在表面定居的原核生物成員提供了合適的生態位。不同聚合物類型的β-NTI值的差異可能反映了中性或非中性分布分區的遷移速率和分類組成。結合使用加權β-NTI和基于Bray-curtis的Raup-Crick(RCbray)來評估不同組裝過程的相對貢獻，并使用零模型分析來估計影響塑料圈群落組成的生態過程。對于MPs和自然基質上的細菌群落，擴散限制是最重要的生態過程，并解釋了72.22–94.44%的群落更替。然而，在自由生活的微生物群落的數據集中，擴散限制、均勻化擴散和生態漂移分別占33.33%、28.79%和37.88%，表明各生態過程在推動海水樣本中細菌群落聚集方面發揮相同重要性的作用。

圖6 β-NTI在不同樣本中的分布(A)及微生物組裝過程中分散限制、均質化擴散和不確定性過程的比例(B)

三、結論與亮點

本研究采用16S rRNA基因擴增子測序，研究了MPs上不同類型聚合物對細菌組裝圖譜的影響。有助于了解在塑料圈微生態系統中影響微生物結構組裝的特定生態過程。為了更全面地了解塑料微生物的組裝機制和環境因素，分析其他參數，如水文特征、生態位類型、基質特征和更長的研究時間，改變隨機性和確定性裝配過程之間的動態平衡是必要的。

您可能還喜歡：

255篇！美格基因2021年度文章大盤點

三代宏基因組測序揭示了新的次生代謝產物多樣性