東北地理所在微塑料殘留對黑土及微塑料圈中微生物氮代謝影響機制方面取得重要進展
微塑料通常指粒徑小于5mm的塑料纖維、碎片或顆粒等，其廣泛分布與急劇增加已成為全球性環(huán)境污染熱點問題。農(nóng)用地膜是陸地生態(tài)系統(tǒng)微塑料污染的重要來源之一，微塑料長期殘留累積于土壤中，必然擾動微生物介導的土壤養(yǎng)分循環(huán)過程，進而影響土壤質(zhì)量與作物健康。然而，黑土氮循環(huán)關(guān)鍵功能微生物對微塑料殘留的響應機制尚不清晰。
為此，農(nóng)田分子生態(tài)學科組研究人員基于室內(nèi)微宇宙模擬培養(yǎng)實驗體系，將傳統(tǒng)(聚乙烯，PE-MP)和生物可降解(聚乳酸-己二酸對苯二甲酸丁二醇酯，BMP)微塑料添加至黑土樣品中，于培養(yǎng)結(jié)束時(90天)開展微生物組宏基因組測序，研究土壤與微塑料圈中氮循環(huán)相關(guān)功能微生物對微塑料殘留的響應特征。
研究表面，培養(yǎng)結(jié)束時BMP的比表面積、孔容孔徑均明顯大于PE-MP，同時BMP表面可發(fā)現(xiàn)大量微生物附著。BMP殘留而不是PE-MP顯著改變土壤氮循環(huán)相關(guān)功能微生物群落。微塑料圈中氮代謝功能類群與土壤中也存在顯著分異，微塑料圈促進了氮降解、氮固定和同化硝酸鹽還原過程，但抑制了硝化和反硝化過程，其中BMP微塑料圈引起更為顯著的改變(圖1)。
圖1 微塑料殘留改變土壤和微塑料圈中微塑料氮循環(huán)代謝過程
BMP與PE-MP微塑料圈中氮代謝關(guān)鍵微生物組成也存在明顯差異，變形菌在BMP上顯著富集而PE-MP微塑料圈增加了放線菌豐度，其中Ramlibacter主導了BMP與PE-MP微塑料圈中多條氮代謝差異途徑，BMP殘留增加土壤中Ramlibacter豐度的同時刺激該菌在微塑料圈中的進一步富集。利用宏基因組binning技術(shù)拼接獲得29個高質(zhì)量基因組，均分類為變形菌和放線菌，其中bin115.bin53和bin26都分類為Ramlibacter，這3個新型物種基因組(ANI<95%)含有調(diào)控氮降解、氮固定和同化硝酸鹽還原代謝路徑的多個拷貝基因，這些代謝路徑共同指向于銨態(tài)氮的生成。進一步發(fā)現(xiàn)BMP微塑料圈中的微生物物種調(diào)控氮代謝合成自身所需氮素的同時，通過攜帶的氨轉(zhuǎn)移基因，可將微塑料圈中的有效氮素轉(zhuǎn)運到土壤中，通過測定土壤中銨態(tài)氮的含量發(fā)現(xiàn)，BMP殘留土壤中的銨態(tài)氮含量的確高于CK和PE-MP土壤，進而驗證了微生物基因組氮代謝機制(圖2)。該研究揭示出生物可降解地膜源微塑料較傳統(tǒng)地膜促進土壤有效氮素累積，為推進傳統(tǒng)地膜的減量與替代提供微生物學理論依據(jù)。
圖2 BMP微塑料圈中氮代謝關(guān)鍵微生物調(diào)控路徑
研究成果近期發(fā)表在國際環(huán)境科學與生態(tài)學期刊《Journal of Hazardous materials》(14.224)，農(nóng)田分子生態(tài)學科組副研究員胡曉婧為第一作者，王光華研究員為通訊作者。該研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA28020201)、中國科學院青年創(chuàng)新促進會(2023237)和黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD2022D001)的共同資助。
論文信息：Hu X, Gu H, Sun X, Wang Y, Liu J, Yu Z, Li Y, Jin J, Wang G. Distinct influence of conventional and biodegradable microplastics on microbe-driving nitrogen cycling processes in soils and plastispheres as evaluated by metagenomic analysis. Journal of Hazardous Materials. 2023. 131097.
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131097.
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