10分+讨论银暴露形式对土壤微生物组的作用 | 微生物专题

发表时间：2021.7.29

发表期刊：Journal of Hazardous Materials（IF 10.588）
关键词：土壤微生物组，Piphillin，氨氧化细菌，亚硝酸盐氧化菌，基因突变体

研究对象：土壤微生物

研究方法：16S测序

研究背景：

在农业中使用生物固体作为肥料，会导致土壤生物群暴露在废水处理过程中产生的硫化银纳米颗粒（Ag₂SNPs ）中，而微生物在土壤功能中发挥重要作用。

为此，本研究通过室内盆栽试验来研究添加Ag₂SNPs 或是AgNO₃对土壤微生物群落的影响，并验证假设

1）硫化银纳米颗粒和银离子会影响土壤细菌群落的结构和组成；

2）硫化银纳米颗粒和银离子会影响土壤微生物组的功能（例如，与氮循环相关的基因）

研究设计：

试验分为三组：未暴露的土壤（对照-CT），添加10 mg/kg土壤AgNO₃的土壤（离子对照）和添加10 mg/kg土壤Ag₂SNPs 的土壤。

在暴露14天和28天后，从每个处理条件下的三个岩心的表层土壤（岩心深度=0 - 4 cm）中采集土壤样本（0.25 g）。

然后用16S测序分析不同处理土壤的微生物群落变化并预测微生物组功能，也分析了氮循环相关的功能基因的变化（图1）。

图1 试验设计

主要结果：

1. 银暴露会影响土壤微生物群落结构和组成

对银暴露14 d和28 d后的土壤微生物群落进行分析，结果发现Ag₂SNPs 会引起土壤微生物群落结构在纲、属和OTU水平上的变化，但主要发生在暴露后期（28d）；

而在AgNO₃处理下，无论是在第14 d还是第28 d，都比Ag₂SNPs 对土壤微生物群落产生更强的影响（图2-4）。

只有AgNO₃处理的土壤在两个采样时间都观察到丰富度和多样性显著降低，可能是由于孔隙水中具有更高的Ag⁺浓度所致。

在银暴露14 d后，根据预测的微生物功能谱，主要在AgNO₃处理土壤中发生了显著变化。

而在银暴露28 d后，Ag₂SNPs 或AgNO₃处理土壤中的预测功能都发生了显著变化（表1）。

图2 在银暴露14d（A）或28d（B）后，不同处理土壤中的15 种最丰富菌纲的相对丰度

图3 在银暴露14 d（A）或28 d（B）后，受Ag₂SNPs 或AgNO₃处理显著影响的菌属的相对丰度

图4 在银暴露14 d（A）或28 d（B）后，不同处理土壤中最具代表性的OTU（30个最丰富）的相对丰度

 表1 在第14 d和第28 d，暴露于AgNO₃或Ag₂SNPs 处理的土壤微生物群的功能预测

2. 银暴露对AOB和NOB丰度及多样性的影响

氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）参与了硝化过程的两个关键步骤。硝化的第一步在维持全球氮循环方面起着重要作用，主要由AOB参与完成。

第二步是由NOB进行，将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。在银暴露期间，不管土壤是哪种处理，AOB的特异基因和NOB的特异基因的相对丰度都显著增加。不同处理相比，暴露于AgNO₃的土壤中NOB的相对丰度在28天时较高（AgNO₃ vs. CT）。

在基因多样性方面，通过对amoA（编码氨单加氧酶的alpha亚基）和nxrB（编码亚硝酸盐氧化还原酶的beta亚基） qPCR熔融曲线的分析，发现存在不同的基因变异。

通过DGGE对amoA和nxrB多样性进行了进一步分析。这些结果表明AOB和NOB的潜在连续性，可能具有不同程度的银耐受性。

主要结论：

本研究表明，在复杂的暴露情景下，Ag₂SNPs 和AgNO₃处理会改变土壤微生物群的结构。

这些影响主要是在较长的暴露时间（第28天）中检测到的，突显了在长期暴露情况下研究这些纳米颗粒的重要性。

此外，功能分析还表明，参与不同代谢的基因丰度发生了显著变化，导致了与S、N和C循环相关的关键土壤功能的失衡。

另一方面，与CT和Ag₂SNPs 相比，AgNO₃对土壤微生物群落的影响更大。也检测到银形式对土壤微生物组的不同影响，表明有一种独特的作用方式。

此外，两种银处理的土壤呈现出不同的amoA和nxrB变体，这表明可能出现了对银的耐受性程度不同的细菌进化型。

参考文献：

Peixoto S, et al. The impact of silver sulfide nanoparticles and silver ions in soil microbiome. J Hazard Mater. 2022 Jan 15;422:126793.

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