地膜覆盖对农田菌群多样性及其功能的影响| 微生物专题

题目：

摘要：

发表时间：2021.8.11

发表期刊：Journal of Hazardous Materials（IF 10.588）

研究背景：

地膜覆盖具有提高水分利用率、作物产量、缩短成熟时间、改善水果质量等特点，在农业生产过程中被广泛运用。大部分塑料薄膜在使用后没有正确回收处理，在塑料降解过程中积累的微塑料和有机化合物对土壤微生物群构成严重威胁，可能会影响土壤生境和生物物理环境。研究塑料微生物群对于评估土壤功能和地膜覆盖农田的可持续性发展至关重要。本文作者选取了中国亚热带区的55个地膜覆盖农田的土壤和塑料残留物，通过高通量测序技术检测了相关细菌群落的多样性和功能的预测。

研究对象：塑料层微生物群 

研究方法：16S rRNA基因测序

研究设计：

选择了55个不同的塑化耕地，农田平坦稳定，没有池塘和沟渠，距离铁路和省道至少300米。根据五点采样法，在每个采样点的塑料薄膜覆盖区域内标准设置五个样方。每个样方长100厘米，宽100厘米。土壤取样深度为0至20厘米。采集的样本被直接运回实验室，为了避免塑料制品的污染，所有样品都装在棉袋中。此外，为了减少环境因素的影响，在整个运输过程中用干冰密封样品。样本运送到实验时候后在土壤样品和塑料板中提取总基因组DNA，采用16SrRNA基因测序对土壤细菌进行分析，使用PICRUSt软件对细菌亚基因组进行分析，识别碳和氮转化以及磷矿化相关的细菌功能途径。主要结果：
1. 塑料层和周围土壤中细菌群落的多样性



本研究采用用16SrRNA基因测序从塑料层和周围土壤样本中分别获得了3542911和3508259个高质量细菌序列。与周围土壤相比，塑料层的细菌α多样性较低，塑料层样本的系统发育多样性显著低于周围土壤样本（图1）。

图1 塑料层和周围土壤样品中微生物群落的阿尔法多样性和谱系关系比较。A）丰富度；B） Chao指数；C）香农指数；D）NTI指数；E）NR指数；F）进化多样性

根据NMDS分析，塑料层样品的细菌群落组成与周围土壤样品显著不同（图2A）。这表明，薄膜碎片可能提供一个新的生态位，有选择地容纳周围土壤中的微生物。根据Procrustes分析，细菌群落分布聚集在塑料层和周围土壤样本中，特别是发现塑料层的群落与周围土壤的群落相关（图2B）。这表明，塑料层中细菌群落演替的变化可能导致周围土壤发生变化。为了比较不同样本之间的相似性，作者进一步计算了分类数据的Bray-Curtis相似性的平均值。与周围土壤相比，重复组的塑料层样品显示出更高的群落相似性（图2C）。

 图2  A）NMDS显示了塑料层和周围土壤样品中真菌群落的组成分布；B）Procrustes分析说明了塑料层的群落剖面（ASVs水平）与周围土壤样本之间的潜在关系；C）根据相对丰度数据（Bray–Curtis，C）计算周围土壤和塑料土壤样本的重复之间的差异性。

2. 塑料层和周围土壤中细菌群落的分类组成及共生关系



在将ASV与RDP数据库对齐后，从所有样本中确定了优势门，即变形菌、酸杆菌、氯弯曲菌、放线菌、拟杆菌、扁平菌和厚壁菌。虽然优势门相似，但大多数门的相对丰度在塑料层和周围土壤之间存在显著差异。与周围土壤样品相比，塑料层样品中富含变形菌门、拟杆菌门、蓝藻门和疣状菌门。薄膜碎片形成了一个独特的塑料层环境，成为微生物群落定植和聚集的新基质。

 图3 在门水平上塑料层和周围土壤样本之间存在差异

与周围土壤样本相比，共有20个属在塑料层中富集，这些属在细胞粘附、营养转化和地球生化循环中起着至关重要的作用，还可能涉及塑料降解。为了描述塑料层内的细菌类群与周围土壤之间的复杂相互作用，基于ASV矩阵进行了相关网络分析。塑料层或周围土壤的细菌种类（ASV）之间的网络表现出以正边缘为主的多重关系。在塑料层和周围的土壤网络中，变形菌成员与其他连接的分类群高度相关（占总连接程度的27.44%和32.35%），其次是酸杆菌（26.83%和26.47%）和氯屈曲菌（14.63%和13.53%）。与周围土壤样品相比，属于变形菌的节点在塑料层中显著增加。微塑料生物膜中的微生物相互作用，形成后续种群定植和群落聚集的基石。塑料层群落成员之间的相互作用可能会影响水生或陆地生态系统的生物地球化学过程和食物网动力学。

 图4 塑料层和周围土壤样本中细菌群落的相关网络分析

3. 塑料层和周围土壤中细菌群落的代谢功能



为了评估微生物群落变化对代谢功能多样性的影响，作者通过KEGG通路富集分析对大多数预测的蛋白质序列进行功能注释，从而对塑料层和周围土壤样品中细菌群落的潜在功能进行表征。结果显示，45.8%− 55.2%的序列富含代谢，13.4%− 19.7%在基因信息处理领域，10.5%− 环境信息处理18.5%，3.5%− 5.1%在细胞过程中，1.5%− 3.2%在生物系统中，在人类疾病中为0.6-1.3%。与周围土壤相比，与人类疾病相关的预测序列，如霍乱弧菌致病循环、弓形虫病和癌症途径，在塑料层样本中较高。之前的研究表明，塑料层样本中的细菌病原体明显高于周围的水体。这表明塑料地比周围的栖息地具有更高的健康风险。大多数有机污染物很容易吸附在薄膜残留物的表面，为病原菌提供营养。这可能在一定程度上解释了与人类疾病相对应的功能途径在塑料体群落中的增加。

 图5 STAM分析发现与周围土壤样本相比，塑料层中细菌群落的代谢功能（途径）显著富集 

与周围土壤相比，塑料层样品中与辅助因子、维生素、氨基酸、萜类和聚酮代谢相关的预测序列更高。在这些过程中，包括细菌趋化性、聚糖降解、生物素代谢、脂多糖生物合成、酮体合成和降解、香叶醇降解和萘降解在内的代谢功能在质体样品中的比例过高（图5）。此前研究表明，在微塑料中定植的生物膜中，维生素、氨基酸和辅助因子的代谢功能增加。在此，作者观察到，分类为异源生物降解和代谢的代谢途径在塑料层中被激活。这些途径涉及人工基质或有机污染物降解基因。这可能表明薄膜残留物上的微生物类群利用塑料聚合物或添加剂作为碳源。氨基酸和氮代谢途径与磷化氢、天冬氨酸、丙氨酸、膦酸盐和其他碳水化合物的降解密切相关4. 塑料层和周围土壤中与碳、氮和磷生物地球化学循环相关的功能基因



据报道，属于黄单胞菌科（如沙单胞菌）和杆菌科（芽孢杆菌）的物种是碳氢化合物降解物，说明这些菌在碳和营养循环中的潜在作用。为了探索塑料层和周围土壤之间C、N和P循环潜力的差异，使用PICRUSt估计的亚基因组预测和分析了编码与碳、氮和磷微生物周转相关蛋白质的功能基因。参与不稳定碳降解的特定基因，以及其他一些高表达碳循环基因在塑料层样本中显著富集（图6A）。塑料、多环芳烃和其他被塑料吸附的有机化合物可能是某些C降解菌群的营养来源。这可能部分解释了与周围土壤相比，上述功能基因在塑料层中的高表达。

图6 STAM周围土壤样本相比，塑料层中细菌群落的代谢功能（途径）显著丰富，基于PICRUST分析。

土壤微生物通过各种生态功能促进土壤氮循环，如固氮、有机氮转化、氨氧化和反硝化。功能分类群进行的氮转化过程是农田中主要的生物地球化学过程之一，反映了地上和地下生态系统之间的关键联系。与周围土壤样本相比，与固氮、有机氮转化和反硝化有关的基因在塑料层样本中显著富集（图6B）。此外，土壤微生物释放出大量有机酸，溶解难降解的无机磷形态。基于PICRUSt估计的亚基因组，共探索了36个与P微生物周转相关的基因。在这36个基因中，塑料层样本中的24个基因与周围土壤中的基因显著不同。与周围土壤相比，与无机磷增溶、有机磷矿化、磷转运蛋白和磷调节相关的基因在塑性土壤样品中显著富集（图6C）。慢生根瘤菌属的成员是自由生活和共生的重氮营养体，在氮磷循环的耦合中起着至关重要的作用。在图4中可以看到慢生根瘤菌成员是塑料层和周围土壤中共生网络的枢纽物种。这些结果强调了探索特定功能分类群的重要性，以了解膜残留物对农田碳和营养生物地球化学循环的下游影响。主要结论：本研究揭示了覆膜农田塑料层中的细菌多样性较低，尤其是系统发育相关性较低，表明群落对环境条件的适应能力较低。塑料表面的细菌群落组成不同于周围的土壤，塑性体细菌组合形成了更大但更简单的网络，缓生根瘤菌、红螺旋菌科和芽孢杆菌是共生关系的中心物种。根据KEGG通路分析得出与周围土壤相比，塑料层中存在着更高的潜在健康风险。栖息在塑料表面的细菌群落在与辅因子、氨基酸和外源生物降解相关的代谢途径以及微生物驱动的C、N和P循环中发挥着更大的作用。总结全文即塑料薄膜碎片可能通过影响农田的生态和功能可持续性，成为微生物定植的独特基质。

参考文献：

Luo G, Jin T, Zhang H, Peng J, Zuo N, Huang Y, Han Y, Tian C, Yang Y, Peng K, Fei J. Deciphering the diversity and functions of plastisphere bacterial communities in plastic-mulching croplands of subtropical China. J Hazard Mater. 2022 Jan 15;422:126865. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126865. Epub 2021 Aug 11. PMID: 34449345.

相关阅读怎么讨论根际微生物组可以发10分New Phytologist | 微生物专题

点击下方图片进入云平台资料汇总：

所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由