【期刊】宏基因组学解析污水中微塑料圈的早期形成阶段

提    要

微塑料及在其表面生长的生物膜构成微塑料圈，对所在环境产生一定的影响。本研究从微观层面研究了污水中微塑料圈的早期形成阶段，发现微塑料与水源接触后14天开始出现特殊生态位的主动选择，alkB基因显著表达，宏基因组学证实存在微塑料降解反应；宏基因组组装基因组的鉴定进一步支持了这一发现，即塑料材料与水源共同驱动了塑料圈独特生态位的选择。

图1 摘要图

研 究 概 览

本研究选用3 mm高密度聚乙烯（HDPE）和5 mm聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料颗粒、两个城市污水厂的出水（两种水源）展开微观实验，并对在3 h、8 h、1 d、6 d和14 d的样品进行了qPCR、16S rRNA扩增子测序和全基因组宏基因组测序。

研究发现，两个水源组和两个微塑料组的alkB基因的拷贝数均高于16S rRNA，且XL水源组和PET微塑料组中均为显著高于（图2），表明两种微塑料可被用作微塑料圈的能源物质。通过宏基因组分析也揭示了实验中发生了与微塑料降解相关的化学反应，进一步证实了HDPE和PET可被微塑料圈降解。

图2 qPCR 检出alkB 和16S rRNA基因拷贝数 

（XL和FT分别为两个水源组，HDPE和PET为两种微塑料组）

本研究总共鉴定出了64个可能与PETase和MHETase相关的宏基因片段，表明含有这些宏基因组片段的微生物可以利用PET及其衍生物或副产物。利用最大似然系统发育树证实了宏基因样品中关键MHETase的保留（图3）。通过系统发育树表明，宏基因组中发现的MHETase与Comamonadaceae的MHETase具有很高的相似性。早期报道已证实了Comamonadaceae具有降解PET的能力。本研究还揭示了Alphaproteobacteria，Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria均包含了PETase和MHETase相关的宏基因片段，表明MHET降解微生物的系统发育范围更广，进而推测出MHETase的基因在污水处理中可以水平转移。

图3 本研究中以最大似然法构建的bacterial MHETase的系统发育树

相对于其他时间点，第14天时微生物的相对丰度（目水平）发生显著变化（图4）。这种差异揭示了塑料的材质可能是塑料圈形成过程中选定微生物丰度的原因之一。基于塑料材质和污水类型分组的主成分分析也表明，第14天的生物膜组成明显地不同于其他采样时间。

图4 根据扩增子16S rRNA样品的相对丰度对质体的操作分类单元的聚类分析：（a）

时间平均相对丰度（ARA>1%）；（b）根据微塑料材料、水源和培养时间组合分组的主成分分析；（c）根据塑料材料和培养时间组合分组的主成分分析；（d）根据水源和培养时间分组的主成分分析

编 者 按

微塑料是塑料废弃物的重要组成部分，作为新污染物引起了广泛关注。污水处理厂作为微塑料的重要排放源，其出水的浓度逐渐增多。污水中赋存的微塑料表面通常会聚集一些微生物（包括抗性微生物和病原菌等），即塑料圈，随污水排放会对下游环境产生影响。因此该研究结合16S扩增子测序和宏基因组测序手段揭示了微塑料圈的组成和功能，并表明其主要受塑料材质和污水类型的影响。进一步本研究还通过宏基因和定量PCR证实了微塑料圈对塑料的降解潜能，为污废水相关的微塑料圈的环境行为，尤其是污废水微塑料圈形成时间提供了新见解。

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