早在2016 年召开的第二届联合国环境大会上,“微塑料污染”就被列为了环境与生态科学研究领域的第二大科学问题,成为与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化等并列的重大全球环境问题。目前中国塑料制造业整体正处于一个增长期。根据工业和信息化部消费品工业司统计数据,2023年全年,全国塑料制品行业产量7488.5万吨,同比增长3.0%。塑料的使用量增加,导致大量塑料垃圾未经处理进入生态环境,产生了大量的微塑料物质。微塑料作为新兴污染物,已被广泛发现于土壤、水体及大气中,并随着物理、化学和生物因素的影响而发生迁移和老化。这些塑料微粒不仅会单独对生物产生毒性作用,还可作为有机污染物、重金属、内分泌干扰物和抗生素等有害物质的载体,进一步加剧其毒性。同时,人类长期接触微塑料,不仅会引发氧化应激,破坏新陈代谢,还会干扰肠道菌群和胃肠道功能,破坏肝脏、心肺和免疫系统,并降低生殖健康。近年来,环境微塑料污染问题受到了广泛的关注,成为环境与生态领域的又一研究热点。
(1)微塑料对土壤微生物群落结构的影响:随着研究的不断深入,在水体、海底沉积物、土壤、植物、动物等不同环境介质中均发现了微塑料的存在,其中土壤被认为是微塑料的最主要的储存库。微塑料进入土壤后,可以改变土壤中的养分和生态酶的计量比,形成与周围环境显著不同的“塑料际”(plastisphere)(指直接受塑料颗粒影响的土壤,这包括生物群落,也包括改变的物理化学土壤环境本身。) ,进而改变土壤中细菌和真菌群落组成,特别是在根际和非根际土壤中。
图1 土壤“塑料际”的定义及其在其他土壤区室中的地位[1]
(2)微塑料的微生物降解:环境中的塑料很少以原生塑料形态存在,易受光照、高温、风化以及物理磨损等因素逐步降解。塑料废物在环境中的降解被认为是促进 MPs 形成的主要过程。塑料降解主要分为生物降解和非生物降解两种途径。
图2 塑料降解示意图[2]
在自然环境中,某些微生物具备降解难以分解塑料的能力,这些微生物的降解过程不会产生二次污染,并且对环境的干扰较小。因此,它们在微塑料的去除方面展现出巨大的应用潜力。鉴于此,微塑料的快速降解已成为生物化学和生态毒理学领域科研人员的研究热点。
图3 塑料的微生物降解途径[3]
(3)微塑料在环境中的迁移和预测:微塑料在不同环境介质中的迁移行为复杂多样。在水环境中,微塑料可以随水流进行长距离迁移,其迁移过程受到水体的水文和水力特性的影响。例如,河流的流速、流向和底质等都会影响微塑料的迁移路径和速度。此外,微塑料还可以通过食物链进行迁移。随着微塑料尺寸的减小,它们更容易被不同生物体摄入并在食物链中积累,最终可能进入人体。
图4 环境中塑料迁移过程示意图[4]
(4)微塑料与环境污染物的相互作用:微塑料是重要的微生物生境, 也是致病菌和耐药性细菌的重要载体。在淡水河流、河口海岸及海水环境中, 与微塑料周围水体中的浮游细菌相比较, 微塑料可选择性地富集抗生素、抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)、病原菌和耐药菌。微塑料表面附着病原菌可随着微塑料在多种环境介质中迁移 扩散, 从而改变其自然分布的范围, 加速了生物的传播 与入侵。
实验设计思路
接下来,分享几篇相关的经典案例!
英文标题:Comparative evaluation of the impacts of different microplastics on greenhouse gas emissions, microbial community structure, and ecosystem multifunctionality in paddy soil[5]
发表期刊:Journal of Hazardous Materials(IF=12.2)
发表时间:2024.12
样本类型:土壤
实验方法:16S rDNA 测序、ITS测序
主要内容:本项研究通过土壤微宇宙培养实验,深入探讨了在低密度聚乙烯LDPE、聚丙烯PP、聚乳酸PLA三种不同聚合物类型微塑料添加条件下,土壤化学性质、溶解性有机质(DOM)分子特征、温室气体排放动态以及微生物群落结构的变化,并评估了这些微塑料对土壤生态系统多功能性影响的差异性。研究表明,微塑料的加入显著提升了土壤中的碳含量和pH水平,但其对土壤氮素营养状况和溶解性有机质(DOM)化学多样性的影响则依赖于具体的聚合物类型。微塑料处理显著改变了土壤微生物群落的α多样性及其结构,尤其是增加了Proteobacteria和Ascomycota的相对丰度。此外,微塑料的存在促进了土壤甲烷(CH4)的排放,而对二氧化碳(CO2)和氧化亚氮(N2O)的排放则通常具有抑制作用。DOM的化学多样性在调节土壤温室气体排放方面扮演了关键角色。不同类型微塑料对土壤生态系统的多功能性产生了显著差异的影响。
英文标题:Microplastic diversity increases the abundance of antibiotic resistance genes in soil[6]
发表期刊:Nature Communications(IF=17.694)
发表时间:2024.12
样本类型:土壤
实验方法:宏基因组
主要内容:本研究利用微宇宙实验探究了微塑料多样性(涵盖不同颜色、形状及聚合物类型)对土壤中抗生素抗性基因(ARGs)动态的影响。通过宏基因组分析,评估了ARGs、毒力因子基因(VFGs)和移动遗传元素(MGEs)的变化情况。结果表明,随着微塑料多样性的增加,土壤中ARGs、VFGs和MGEs的丰度显著上升。研究进一步揭示了与ARGs丰度增加相关的微生物适应机制,包括遗传变异、群落组成调整以及功能多样性的增加。此外,其他全球变化因素,例如杀菌剂的使用和植物多样性的降低,亦对ARGs的丰度产生了影响。
英文标题:Microplastics abundance associated with farmland use types and the impact on soil microbial communities: A case study in Southern China[7]
发表期刊:Journal of Hazardous Materials(IF=12.2)
发表时间:2024.12
样本类型:土壤
实验方法:16S rDNA 测序
主要内容:本研究收集了中国南方不同农业用地类型(包括果园、水稻田和菜地)的土壤样本,并运用激光直接红外光谱法(LDIR)对微塑料的丰度进行了分析,同时通过16S rRNA基因扩增子测序技术深入研究了微生物群落结构。本研究旨在探究不同农田利用类型对土壤中微塑料(MPs)丰度及其对土壤微生物群落的影响。结果显示,土壤中微塑料的丰度介于528至39,864项/kg,平均为10,562项/kg,且主要粒径集中在0-30微米。共鉴定出32种聚合物类型,其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)是最主要的聚合物。微塑料的存在显著影响了细菌的分布模式,相较于土壤细菌群落,塑料圈群落的空间分布和差异性较小。此外,微塑料的引入使得与外源生物降解和代谢相关的预测序列更加丰富,进而影响了土壤的生态功能。
英文标题:Nitrifying niche in estuaries is expanded by the plastisphere[8]
发表期刊:Nature Communications(IF=17.694)
发表时间:2024.7
样本类型:海水、塑料际和其它物质表面
实验方法:16S、宏基因组、宏病毒组、DNA-SIP
主要内容:在本研究采用15N和13C标记技术(DNA-SIP)结合宏基因组学与宏转录组学,揭示了塑料际(plastisphere)在河口生态系统中可能被低估的硝化生态位。研究团队在厦门、烟台和广西等地的河口流域模拟了塑料、岩石、落木和玻璃表面自然微生物的富集过程,发现与周围海水及其他生物膜(如岩石、落木)相比,塑料际细菌介导的硝化活性高出0.9至12倍。同时,研究揭示了附着生长微生物(sessile mode)与游离生长微生物(free-living mode)之间的代谢差异,即从海水中的O2敏感硝化细菌向塑料际中具有多功能代谢能力的硝化细菌的转变。研究还观察到塑料际硝化细菌中硝化底物交换的种间合作潜力。这些发现强调了塑料际作为河口环境中一个新兴硝化生态位的重要性,并深化了对河口塑料际微生物在海洋生物地球化学过程中作用机制的理解。
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