广东工业大学最新ES&T：不同类型微塑料对冷泉微生物多样性和功能的影响

文摘 2025-01-08 12:59 浙江

摘要

出塑料的大量生产和广泛使用引发海洋塑料污染问题，而冷泉生态系统中的塑料污染研究较少，为此从海马冷泉采集样本开展模拟原位环境的实验室培养实验，分析不同阶段的环境因素和微生物遗传学，得出添加MPs后微生物群落与原始栖息地相似、质体球共现网络更脆弱、多种环境因素决定群落组成而少数驱动群落功能、MPs影响氮循环和甲烷代谢并可能聚集致病菌等结论，该研究为了解MPs对冷泉群落结构和功能的影响提供了新视角。

背景

随着塑料的大量生产与广泛使用，海洋塑料污染问题日益严峻。冷泉生态系统由深海中与氮、碳循环相关的微生物维持，这里富含碳氢化合物的冷水从海底渗出，但目前对该生态系统中塑料污染的了解较少。

塑料是海洋中最常见的废弃物，每年有大量塑料进入海洋，约70%会沉入海底并逐渐破碎成微塑料（MPs）。MPs比表面积大，吸附和浸出风险高，且已在冷泉中被发现。冷泉具有低温、高压和黑暗的环境特点，形成了独特的化能合成生态系统。此前研究表明，MPs会影响微生物组成和功能，可能破坏生态平衡、降低冷泉系统效率，因此，探究冷泉中MPs增加及其生态效应具有重要意义。

实验结果与讨论

- 独特的群落结构：微生物群落受原始环境影响大，沉积物中微生物α多样性高于海水。质体球有独特微生物群落，与环境群落差异显著，主要微生物源是原始环境群落，且独特物种数量更多。MPs可能作为微生物的过滤器，其表面可吸附物质形成微环境，利于微生物附着生长，还能为深海微生物提供营养。

图 1.微生物群落α海水环境、沉积物环境、海水塑料圈和沉积物塑料圈中的多样性和组成。

- 环境因素影响群落结构：沉积物和海水、环境和质体球的群落结构差异显著，环境样品群落结构与采样站相关，质体球样品则与培养时间相关。多种环境因素影响群落形成和维持，AOC对海水质体球群落作用突出，多数群落与甲烷显著相关。

- 群落的组装和共存：环境和质体球微生物群落主要由随机过程主导，添加MPs使环境样品中确定性组装群落比例增加。质体球的共现网络比自然环境更脆弱，网络复杂性在不同环境和质体球间有差异，且二者正负系数表现不同，质体球网络稳健性更低。

图 3.环境和塑料圈微生物组网络随时间的连续性。海水（a）和沉积物（b）的微生物相互作用网络。（c）环境和塑料圈微生物相互作用网络的拓扑参数。不同颜色的点和线代表不同的栖息地，包括黄色（沉积物环境）、红色（沉积物塑料圈）、绿色（海水环境）和蓝色（海水塑料圈）。

- 环境因素影响群落功能：KEGG通路变化受培养时间和采样站交互影响，群落功能由少数关键环境因素驱动，部分环境因素对功能组成影响显著。

图 4.基于 PICRUSt2 的预测函数与环境因素的相关性。（a）在沉积物塑料圈和沉积物环境中（Bray-Curtis 距离）和（b）在海水塑料圈和海水环境中。

- MPs对氮循环和甲烷代谢的影响：MPs影响氮循环和甲烷代谢相关基因丰度，质体球中反硝化微生物相关基因丰度高，不同类型MPs对硝化过程作用不同。MPs还影响甲烷氧化和生成基因丰度，不同MPs作用有差异。

结论：

MPs 影响冷泉环境群落，可能改变局部生物地球化学循环，应增加对冷泉 MPs 的关注。

Wu, X.-N., Feng, J.-C., Chen, X., Lin, Y.-L., Huang, Y., Zhong, S., Li, C.-R., Zhu, M.-Z., & Zhang, S. (2025). Effects of Different Types of Microplastics on Cold Seep Microbial Diversity and Function. *Environmental Science & Technology*. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c08102

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