新聞動態(tài)楊倩、鐘音等–ISME J：氨氧化菌在沿海塑料際的長期富集及其對N2O排放的影響
塑料污染是當前海洋（尤其是沿海）環(huán)境面臨的重要問題。當塑料進入環(huán)境后，微生物會在塑料表面迅速定殖，并與微生物分泌的胞外聚合物形成生物膜，稱為“塑料際”。塑料際不僅促進有害微生物和毒害污染物在環(huán)境中的運輸和傳播，還會參與元素循環(huán)過程，促進一氧化二氮（N2O）等溫室氣體的排放，對生物地球化學過程和未來氣候變化可能產(chǎn)生重要影響。目前研究主要采用野外隨機采樣或者短期定殖（< 3個月）方法探究塑料際微生物群落演替對元素循環(huán)過程的影響。但是，塑料可在環(huán)境中留存數(shù)十年甚至數(shù)百年，塑料際微生物群落結構長期動態(tài)變化及其如何影響氮元素循環(huán)（如氨氧化過程）和N2O 長期排放格局尚不清楚，這對于準確評估塑料污染的生態(tài)系統(tǒng)風險和對元素生物地球化學循環(huán)影響至關重要。
針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所博士生楊倩在鐘音研究員、彭平安研究員的指導下，在塑料污染典型區(qū)域紅樹林濕地潮間帶進行了為期39個月的野外定殖實驗，通過擴增子測序、宏基因組、定量PCR等多種技術手段，研究了沿海塑料際生物膜微生物群落結構、氮循環(huán)功能基因和胞外聚合物的長期變化特征；并開展室內(nèi)模擬氨氧化實驗，探究了塑料際氨氧化微生物對氨氧化過程和N2O的排放的貢獻。
研究發(fā)現(xiàn)塑料際的硝化細菌Nitrospira和氨氧化古菌Ca. Nitrosocosmicus隨著定殖實驗時間發(fā)生顯著富集，它們相對豐度分別從第3個月的0.3%和0.02%增加到第39個月3.2%和0.7% (圖1)。宏基因組分析結果顯示氨單加氧酶基因（amoA）主要來源于Nitrospira和Ca.?Nitrosocosmicus，暗示這兩個類群很可能是塑料際中占主導地位的氨氧化微生物。通過宏基因組組裝，研究團隊共獲得2個Comammox?Nitrospira（完全氨氧化菌）和2個Ca.?Nitrosocosmicus的宏基因組組裝基因組（MAGs）。這4個MAGs的相對豐度也隨時間的增加而增加，進一步證實了Comammox?Nitrospira和Ca.?Nitrosocosmicus在塑料際上發(fā)生長期富集的特征。隨著塑料在海洋環(huán)境中的遷移和傳輸，塑料際有可能會改變Comammox?Nitrospira和Ca.?Nitrosocosmicus在海洋環(huán)境中的分布，尤其是目前研究尚未在深海環(huán)境中發(fā)現(xiàn)完全氨氧化菌的存在。
為了進一步探究影響Comammox?Nitrospira和Ca.?Nitrosocosmicus在塑料際上發(fā)生長期富集的因素，研究團隊對兩種氨氧化菌的相對豐度與海水環(huán)境因子（pH值、鹽度、溫度、NH4+、NO3-和溶解氧濃度）、塑料際胞外聚合物含量進行了相關性分析。研究發(fā)現(xiàn)Comammox?Nitrospira和Ca.?Nitrosocosmicus的相對豐度與塑料際胞外聚合物含量呈正相關，但與海水NH4+濃度呈相關（圖2），表明胞外聚合物和海水NH4+?濃度可能影響了沿海塑料際氨氧化群落的長期演變。
圖1 塑料際和沉積物中硝化微生物相對豐度的時間變化動態(tài)
圖2 氨氧化菌MAGs與塑料際中EPS成分和海水中NH4+濃度之間的Pearson相關性?
研究團隊通過室內(nèi)模擬氨氧化實驗進一步明晰了塑料際氨氧化菌群落對硝化過程和N2O排放的貢獻。與沉積物樣品相比，定殖39個月的塑料際樣品呈現(xiàn)出更高的氨氧化活性和更高的N2O（2.52 ng N2O N g?1）的排放，其中Comammox Nitrospira的氨氧化速率為 0.49 μg N g?1?d?1，顯著高于氨氧化古菌（0.22?μg N g?1 d?1）和氨氧化細菌（0.04 μg ng?1?d?1），表明Comammox Nitrospira對于塑料際氨氧化過程具有重要貢獻。此外，Comammox Nitrospira和氨氧化古菌對N2O產(chǎn)量的相對貢獻分別為17.9% 和21.4%，顯著高于氨氧化細菌（圖3），表明Comammox Nitrospira和氨氧化古菌很可能會長期影響沿海環(huán)境氮循環(huán)過程和N2O的排放。
以上研究發(fā)現(xiàn)為深入認識塑料污染對海洋元素生物地球化學循環(huán)的影響、全面評估塑料污染的生態(tài)風險以及制定相關塑料管理政策提供了重要的基礎數(shù)據(jù)。相關研究成果近期發(fā)表于環(huán)境科學領域權威期刊《The ISME Journal》上。楊倩為文章第一作者，鐘音為通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金（42077285、42377220）、廣州市科技計劃項目（2024A04J6534）、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（2023B0303000007）和海南省重點研發(fā)項目（ZDYF2023SHFZ171）等項目的聯(lián)合資助。
圖 3 第39個月塑料際和沉積物中氨氧化菌的氨氧化活性和對N2O生成的貢獻比較
論文信息：Qian Yang?（楊倩），Yin Zhong*（鐘音），Shi-wei Feng（馮世偉），Ping Wen?（文萍），Heli Wang （王賀麗），Junhong Wu （吳駿宏），Sen Yang （楊森），Jie-Liang Liang（梁潔良），Dan Li（李丹），Qiong Yang（楊瓊），Nora F. Y. Tam（譚鳳儀），Ping’an Peng（彭平安），2024. Temporal enrichment of comammox Nitrospira?and?Ca. Nitrosocosmicus in a coastal plastisphere. The ISME Journal, 18(1), wrae 186.
論文鏈接：https://academic.oup.com/ismej/article/18/1/wrae186/7815081?
