10分文章解读生物可降解塑料对土壤微生物的影响 | 微生物专题

发表时间：2021年9月26日

发表期刊：Journal of Hazardous Materials （IF 10.584）

题目：生物可降解塑料和传统塑料对土壤的微生物群落、功能和代谢组的影响

背景：

由于以石油为原材料的传统塑料对环境造成了恶劣的影响，为此解决传统塑料对环境的污染问题，我们急需大量可生物降解的塑料，但若在使用后处理方法不当，不论是传统塑料还是生物可降解塑料，都有可能向我们的生活环境释放微塑料。因此研究传统和生物可生物降解产生的微塑料对土壤微生物的群落组成及功能的潜在影响是至关重要的。

本文作者利用聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸酯(PLA)或聚琥珀酸丁二酯(PBS)微塑料进行了土壤微观实验，并利用16SrRNA基因测序、宏基因组学和非靶向代谢组学等多组学技术，探讨微塑料对土壤微生物群落结构和功能的影响。

研究对象：土壤微生物

研究方法：16S rRNA基因测序、宏基因组学和非靶向代谢组学

试验设计：

取未耕地土壤样本，风干并去除石头和植物的根后，均质培养，试验过程中设置对照样本，约500克干土+5克微塑料，浓度为1%。试验设置4个处理组+1个对照组：对照土壤(CK)、1%LDPE+土壤(PE)、1%PS+土壤(PS)、1%PLA+土壤(PLA)和1%PBS+土壤(PBS)，每组3个重复，土壤湿度20%（w/w）条件下培养，所有样本培养条件一致。培养60d后，将土壤样本−80℃保存，以进行16S rRNA基因测序分析，宏基因组分析，代谢组分析。

主要结果

1. 16S rRNA基因测序结果

15例土壤样本共得到538,649条序列，9269个特征序列(ASVs)。所有的样本中，门层级的优势物种在不同的组间具有差异（图1A）。与对照土壤相比，传统微塑料可导致环境中物种丰富度显著增加（图1B）。Beta多样性（PCoA分析）显示，对照组与生物可降解组样本明显分离，说明两者间具有明显差异。

且经过Adonis检验进一步发现，5种处理间的微生物群落具有显著异。结果表明，常规和生物可降解微塑料的加入显著改变了土壤微生物群落的组成和结构，而生物可降解组的改变更显著。

图1. 不同处理下土壤微生物群落结构。(A)门层级物种相对丰度柱状堆叠图。(B)Alpha多样性指数。(C)基于Bray-Curtis距离矩阵的PCoA图。(D)基于加权UniFrac距离矩阵的PCoA图。

2 .宏基因组测序结果

对组装后的序列进行功能注释，对KEGG和COG数据库的功能通路进行PCoA分析，生物可降解组与CK组的差异均大于传统塑料组(图2A，B)。

与传统塑料组相比，生物可降解组中与物质和能量代谢相关的功能较少(图2C)。

图2. 不同处理下土壤功能基因信息。(A、B)BrayCurtis距离矩阵的KEGG、COG数据库的PCoA图。(C)KEGG通路中不同组间丰度top30的通路及丰度信息。

传统塑料组中的微生物群落具有较高的碳、氮、硫循环代谢潜力。可生物降解组具有较低的氮循环中的功能，降低了硫循环中的功能潜力。可生物降解组的固氮功能较高，与碳固定和同化相关的功能也降低了，氨基酸与碳水化合物代谢的柠檬酸循环(TCA循环)的也有降低。

图3. 所有处理中与元素循环相关的功能差异热图。

在生物可降解组的样本中，与环境信息处理和细胞过程相关的功能显著增加(图2C)，而且生物可降解组的微生物群落可能表现出对碳水化合物、氨基酸及其他化合物的吸收潜力(图4)。

图4. 所有处理组中ABC转运功能基因差异热图。

3.代谢组学结果

为了进一步证实微塑料干预下代谢组的改变，作者对所有的样本进行了非靶向代谢组学分析。PCA结果显示，生物可降解组与对照组显著分离(图5A)。传统塑料组的代谢组和对照组的代谢组紧密聚集。这与土壤微生物群落的结果一致，表明可降解微塑料显著改变了土壤代谢物的分布。

sPLA-DA也证实可生物降解组和传统塑料组对土壤代谢的不同影响（图5B）。PBS和PLA微塑料的加入分别改变了土壤中和碳水化合物的代谢(图5D)，此部分结果与宏基因组的功能结果一致，生物可降解微塑料显著提高了脂质相关功能的丰度，包括脂肪代谢、降解和生物合成。

图5. 土壤代谢组学研究。(A)土壤代谢组的PCA。(B)土壤代谢组的PLS-DA。(C)热图。(D)sPLS-DA分析。

4.多组学联合分析结果

为了更好地说明微生物群落组成、功能和代谢组之间的关系，作者采用了基于Bray-Curtis差异分析的Procrustes分析和使用DIABLO 进行的多组学分析。如图6A所示，三者间均具有显著相关性。DIABLO分析确定的成分1和成分2的聚类，代表了不同处理的不同模式(图6B)，每个分裂的第一个维度之间有更高的相关性。例如，16S数据和KEGG通路、16S数据和代谢组、KEGG通路和代谢组的相关值分别为0.96、0.94和0.97，相对高于第二组的相关值（分别为0.86、0.89和0.85）。

图6. 16SrRNA、宏基因组及代谢组联合分析结果。(A)病Procrustes分析。(B)DIABLO分析。

结论：本文揭示了传统和生物可降解塑料对土壤微生物群落、功能和代谢组的显著影响。可生物降解的微塑料显著地改变了土壤微生物群落的结构，进而影响环境中的功能。与传统的微塑料处理相比，可生物降解的塑料处理具有吸收碳水化合物、氨基酸和其他化合物的潜力更高。传统塑料对土壤代谢组方面没有显著影响，这可能是因为传统微塑料在短时间内只改变了分类多样性，而没有改变功能多样性。这些发现进一步让我们对传统和可生物降解塑料对土壤微生物的影响的有了更深的认识，我们有义务更谨慎地选择和规范塑料替代品。

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