塑料际！果断关注，宏基因组新思路来袭

凌恩生物客户东华大学和中国农业大学在《Jouanal of Hazardous Materials》期刊上(IF=13.6)发表的“Lake plastisphere as a new biotope in the Anthropocene: Potential pathogen colonization and distinct microbial functionality”研究论文中，通过对宏基因组测序结果和物理化学测定参数进行分析，发现了湖泊塑料际特有的生态过程对病原体定殖、微生物功能的重要作用。

期刊：Hazardous Materials影响因子：13.6发表时间：2023样本类型：湖泊水和微塑料

 研究背景 

微塑料(Microplastics，MPs)是当前环境与生态科学研究领域的第二大科学问题。MPs作为一种新兴污染物，引起的环境污染和健康风险已经成全球关注的重要问题。多种微生物选择性地定殖微塑料，形成独特的生态位“塑料际(Plastisphere)”。本研究揭示了塑料际与浮游生物群落在代谢功能和元素循环方面的差异并探索其生态构建机制。

 实验设计 

根据地理位置、水文和环境特征，对太湖15个站点(包括流入、流出和双向河)的地表水和MPs颗粒进行采样，每个站点采集两个平行样本。

 技术路线 

 实验结果 

1 微塑料在太湖沿岸地表水中的分布特征

在太湖15个采样点中均检出了MPs。MPs丰度只与水质指标pH显著相关（图1A）。从形态特征上分析，本研究检测到大部分MPs尺寸范围在100-500um（图1B）。微塑料形态中纤维平均占比最大（图1C）。另外对MPs的聚合物检测，发现共有15种聚合物，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephtha- late，PET)为主要贡献者（图1D-E）。

图1 微塑料在太湖沿岸地表水中的分布特征

2 塑料际和湖水中的微生物分布

α多样性和β多样性分析表明，塑料际微生物的丰富度和多样性明显低于水体(图2A-B)，塑料际和水中的微生物群落组成存在显著差异(图2C)。γ‐变形菌纲在所有样品中丰度最高(图2D)。与水相比，塑料际显著富集了拟杆菌纲、γ‐变形菌纲和芽孢杆菌纲，疣微菌纲丰度则显著减少(图2E)。

图2 塑料际和水中的微生物分类学组成

将测序结果与病原体-宿主相互作用（PHI）数据库进行了比较（图3），在MPs和水中共鉴定出111种病原体。与水样相比，MPs上的病原体总丰度更高，有多种潜在病原体。真双子叶植物、单子叶植物和啮齿动物的病原体在塑料际中富集（图3）。

图3 塑料际和浮游生物群落中的潜在病原体的分类学组成

3 塑料际和湖水中微生物群落的代谢功能

通过KEGG预测发现，与水体相比，MPs观察到不同的微生物代谢功能，在level1水平上，代谢途径的相对丰度最高（图4）。与水样相比，塑料际微生物群落中其他氨基酸代谢、次级代谢产物生物合成以及聚糖生物合成和代谢的代谢途径丰度显著提高（图4）。

 图4 塑料际及浮游生物群落KEGG代谢基因比较

4 塑料际和浮游生物群落之间元素循环的差异

塑料际微生物与元素循环相关功能密切相关。在N循环中发现参与有机降解和合成的功能基因在两种基质中均占比很大（图5）。与水中浮游生物相比，塑料际中参与固氮和硝化的功能基因丰度均降低，但参与同化硝酸盐还原、异化硝酸盐还原和反硝化过程的功能基因在塑料际中丰度更高。

图5 塑料际和湖水中氮循环基因的变化

在硫循环方面（图6），MPs主要参与的有机硫转化、同化硫酸盐还原、SOX系统和异化硫还原和氧化等过程的基因相对丰度更高。此外，由于mccB、metA、suyA和suyB的丰度增加，微塑料能够增强无机硫和有机硫转化之间的联系。

图6 塑料际和湖水中硫循环基因的变化

5 塑料际和浮游生物群落的生态过程

为了进一步探索驱动MPs上微生物组合和功能的生态过程，计算了基于零模型和中性模型（NCM）的随机性指数（MST）（图7）。MPs中微生物种类、代谢途径和CAZyme（碳水化合物活性酶）的出现频率可以较好拟合中性模型。塑料际群落的MST值始终大于浮游生物群落。随机过程对塑料际的微生物组成和功能有显著影响，而确定性过程对浮游生物群落更为重要。

图7 塑料际和浮游生物群落中微生物组成和功能的生态学组装过程

研究讨论

本研究发现植物的潜在病原体在塑料际群落中显著富集，提示对生态安全的风险。此外，塑料际和水样之间的微生物功能存在显著差异。塑料际群落的微生物组成和功能受随机过程驱动，浮游生物群落受确定性过程的影响。塑料际会诱导不同的生物地球化学元素循环。该研究为湖泊塑料际微生物生态过程提供了宏基因组学的见解。

凌恩生物

简介

微生物是自然界生物地球化学循环的主要驱动力。凌恩生物推出全新基于宏基因组学注释的碳、氮、磷、硫、金属&塑料等元素循环分析流程，可实现元素功能基因、宿主微生物联合分析，从而综合分析不同生境下元素循环的整体水平及其影响因素，满足广大科研工作者关于生物地球化学循环的研究，助力客户在国际期刊上发表了大量文章。

参考文献

Xu CZ et al. Lake plastisphere as a new biotope in the Anthropocene: Potential pathogen colonization and distinct microbial functionality. Jouanal of Hazardous Materials.2023.