科研 | 山东大学Chemosphere：淡水生态系统沉积物中的微塑料及其对微生物群落的影响 / 开普饭

编译：李长超，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

微塑料是粒径小于5mm塑料的总称，主要来自大塑料的破碎以及工业的添加等。微塑料几乎存在于环境中的任何地方，包括海洋、淡水、沙滩、沉积物以及土壤等。微塑料由于其生物累积性和毒性受到广泛关注。微塑料与微生物之间存在着紧密的关系，一方面微塑料自身释放的以及吸附的化学物质会影响微生物群落的多样性、组成及功能，另一方面微塑料表面容易吸附微生物形成生物膜，但是相关研究还比较匮乏。

本文以中国西部调水工程水源地黄金峡水库为研究地点展开对微塑料浓度、分布、特征以及微塑料对微生物群落影响的研究。研究发现该区域沉积物中微塑料浓度范围为233.33 ± 70.24 items·kg^-1至870± 238.12 items·kg^-1, 平均值为558.10 ± 291.45 items·kg^-1，基于微塑料浓度对沉积物样品进行聚类分析分为HM组（高浓度微塑料组）和LM组（低浓度微塑料组），发现HM组沉积物微生物Chao1指数显著低于LM组，说明HM组沉积物微生物的物种丰富度显著低于LM组；Anosim、MRPP和Amova分析结果发现两组之间微生物群落结构及物种组成存在显著差异并且组间差异显著大于组内差异，表明微塑料对微生物群落结构及组成存在显著影响；微生物群落功能预测结果表明微塑料对微生物群落的功能存在显著影响。本研究首次在自然河流生态系统中研究沉积物微塑料对微生物群落的影响，为后续微塑料与微生物之间相互关系的深入研究奠定了基础。

论文ID

原名：Impact of microplastics on microbial community in sediments of the Huangjinxia Reservoird— water source of a water diversion project in western China

译名：中国西部调水工程水源地黄金峡水库沉积物中微塑料对微生物群落的影响

期刊：Chemosphere

IF：5.108

发表时间：2020.4

第一作者：李长超

通讯作者：刘建

通讯作者单位：山东大学环境研究院

实验设计

结果

在所有样品中均检测到微塑料的存在，研究区域微塑料浓度范围为233.33± 70.24 items·kg^-1 －870 ± 238.12 items·kg^-1，平均浓度为558.10 ± 291.45 items·kg^-1 (图1)。各尺寸的微塑料所占比例为：<0.1 mm (5%)、0.1–0.5 mm (32%)、0.5–1 mm (26%)、1–2 mm (24%)、2－5mm (13%)；纤维状的微塑料占比最大，其次为碎片状微塑料，薄膜状和泡沫状的占比最小；各颜色微塑料所占比例为：黑 (45%) > 蓝(32%) > 透明 (8%) > 红 (7%) > 其它(5%) > 白 (3%) (图2)。

图1. 各取样点内微塑料浓度。

图2. 各取样点中不同分类方式（大小（A, a）、形状（B,b）及颜色（C, c））的微塑料浓度及占比。

扫描电镜（SEM）图像显示各种形状的微塑料表面存在着不同程度的风化，它们表面粗糙、有明显裂痕和凸起 (图3)。元素分析（EDS）结果表明微塑料表面吸附着Pb、Mg、Fe、Ca和Al等元素(图4)。纤维红外光谱结果显示所检测的微塑料主要是PP, PS和PE三种类型，分别占比17%、28%和45%。

图3. 四种类型微塑料 (a = 纤维、b= 碎片、c = 泡沫、d = 薄膜)的扫描电镜 (SEM) 图像。

图4.微塑料的X射线能量色散谱分析(EDS) 图像。

将沉积物样品按照微塑料浓度进行聚类分析（图5），按照聚类分析结果将样品分为HM组（高浓度微塑料组，>600 items·kg^-1）和LM组（低浓度微塑料组，< 400 items·kg^-1），对两组样品的理化性质（酸碱度、电导率和有机质含量）进行了t检验，两组沉积物的理化性质无显著差异。

图5. 基于微塑料浓度的聚类分析结果。

对两组样品的微生物多样性指数(Shannon、Simpson、Chao1和ACE)进行t检验，结果发现HM组微生物群落Shannon、Simpson、Chao1和ACE四个指数均低于LM组，尤其是两组间Chao1指数具有显著差异（p < 0.05），也就是说高浓度微塑料组中的微生物丰富度显著低于低浓度微塑料组 (图6)。

图6. HM和LM两组沉积物之间的微生物多样性指数(Shannon、Simpson、Chao1和ACE) 比较。

Anosim结果R值大于0，p = 0.001；MRPP结果A值大于0，p = 0.003；Amova分析p < 0.05。以上结果表明两组沉积物的微生物群落结构及物种组成存在着显著差异，组间差异显著大于组内差异。对两组沉积物微生物的物种相对丰度进行t检验(图7)，发现在门水平上，HM组的Proteobacteria（变形菌门）和Nitrospirae（硝化螺旋菌门）丰度显著高于LM组，而Bacteroidetes（拟杆菌门）丰度显著低于LM组；在纲水平上，HM组有着显著高的Alphaproteobacteria（α-变形菌纲）丰度以及显著低的Bacteroidia（拟杆菌纲）丰度。

图7. HM和LM两组沉积物微生物在门和纲水平上的相对丰度以及具有显著差异的细菌类群。

利用PICRUSt和FAPROTAX两种途径对两组微生物群落功能进行预测，并对两组预测的功能基因进行t检验(图8)，发现HM组微生物群落的人类疾病（Humandiseases）功能基因显著高于LM组；另外，两组之间与碳循环相关的功能基因（methanotrophy, methanol oxidation, methylotrophy）丰度以及与氮循环相关的功能基因（nitrate respiration, nitrate reduction, nitrogen respiration）丰度也存在显著差异。

图8.HM组和LM组中具有显著差异的预测功能基因（PICRUST = Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States，FAPROTAX = Functional Annotation of Prokaryotic Taxa）。

结论

本研究区域微塑料浓度范围为233.33 ± 70.24 items·kg^-1 －870 ± 238.12 items·kg^-1，平均浓度为558.10 ± 291.45 items·kg^-1；各种微塑料表面粗糙伴有明显裂痕和凸起，说明微塑料在环境中发生了不同程度的风化；微塑料表面吸附着Pb, Mg, Fe, Ca,和Al等金属元素，微塑料的表面吸附作用加大了其对生态系统的危害；PP、PE和PS是本研究检测出来的微塑料主要的聚合物成分。微塑料对沉积物微生物具有显著影响，具体表现在降低了微生物群落的物种丰富度、改变了微生物群落结构及物种组成，进而对微生物群落功能产生显著影响，甚至可能影响生态系统的碳氮循环。本研究首次探索了淡水生态系统沉积物中微塑料对微生物群落的影响，为后续微塑料与微生物相互作用的深入研究奠定了基础。

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