2023年2月1日，我院2020级硕士研究生印茂云的研究论文 Effects of microplastics on nitrogen and phosphorus cycles and microbial communities in sediments 被环境科学与生态学类SCI期刊 Environmental Pollution 刊出(中科院2区TOP，IF=9.988)。印茂云为论文第一作者，付川教授为论文通讯作者。
近年来，由于微塑料(Microplastics,MPs)在生态系统中作为驱动生物及养分地球化学循环中重要的因素，因此，MPs对沉积物中营养物质和微生物群落的潜在影响引起了广大研究者的兴趣。MPs是指粒径小于5 mm的塑料颗粒，因其在环境中能为其他污染物提供载体并远距离运输，已成为全球研究者关注的焦点。随着塑料制品的大量生产和使用，MP进入水陆生生态系统的风险日益增加。由于MP具有抗降解的特性，这将意味着在未来很长一段时间内，生态系统中MP的种类和丰度会持续增加。然而，陆地被认为是塑料进入水生系统的源头，MP能通过各种途径进入水生环境，如污水排放、地表径流和大气沉降。进入到水生环境中的MP可以被分解和沉积在沉积物中。此外，河流湖泊沉积物作为淡水生态系统中营养物质主要的源或汇，存储有大量的氮磷，在氮磷的地球化学循环过程中起着重要作用。
本研究通过向淡水沉积物添加MPs来探索对沉积物-水系统中氮磷营养物质地球化学循环的影响，并利用16S rRNA基因测序探索沉积物中微生物对MP的响应机制以及驱动营养物质循环的可能机制。我们选取了两种常见的传统MPs (polyvinyl chloride , PVC; Polypropylene, PP)和一种可生物降解聚合物MP (polylactic acid, PLA) (粒径约为48-270 μm)，设置了四组独立培育周期(7、14、21和28天)进行实验。
图1为沉积物细菌科水平上的细菌群落结构变化，我们观察到PLA-MP处理组沉积物中Anaerovoracaceae、Burkholderiaceae、Chromobacteriaceae、Desulfocapsaceae、Geobacteraceae、OPB41、Pseudomonadaceae和Syntrophomonadaceae相对丰度均显著升高。此外，传统MPs处理组沉积物中Pseudomonadaceae相对丰度显著降低。PP处理组沉积物中Bacteroidetes_vadinHA17、BSV26、Gallionellaceae、Hydrogenophilaceae、Lentimicrobiaceae、Nitrospiraceae、Nitrosomonadaceae、Prolixibacteraceae、Saprospiraceae和Spirochaetaceae相对丰度均显著升高。
图1 MP处理组沉积物中细菌科水平上的显着差异分析
本研究还发现添加传统和可生物降解MP处理后上覆水中NH4+的浓度变化不同。这一方面可能是被氨化作为硝化作用的底物转化为硝态氮和亚硝态氮；另一方面可能是MP的添加，增加了沉积物的孔隙度。孔隙度的增加会改变氧气通量的增加，从而增加了硝化作用，减少了NH4+的含量。这也是导致上覆水中NO3-和NO2-含量上升的原因。而PLA-MP处理组上覆水中NO3-和NO2-的含量变化呈相反趋势，这可能是由于PLA- MP刺激沉积物中微生物反硝化基因丰度造成，从而促进了NO3-向NO2-的转化。PP处理组中NO3-含量低于PVC处理组，这可能源于PP-MP的添加促进了反硝化基因nirK和narG丰度导致。
图2 上覆水中溶解性无机氮磷含量变化。PO43-, NH4+, NO3-和NO2-的初始值分别为21.72, 14.25, 203.57和20.52 µg/L。误差棒为标准差(n = 3)。大写和小写字母分别表示不同取样时间和不同处理组的显著性差异(P<0.05)。
综上所述，本研究得出的结论为MP的添加能显著影响沉积物中微生物群落组成和养分循环。PVC和PP微塑料能促进微生物的硝化和亚硝酸盐氧化作用，其中PP能显著促进碱性磷酸酶活性和磷调节(phoR)基因丰度。PLA微塑料具有促进微生物磷转运蛋白(ugpB)、固氮(nifD、nifH和nifX)和反硝化(nirS、napA和norB)基因丰度并抑制硝化作用的潜力，从而导致氨氮大量的累积和释放。而PLA微塑料虽抑制了碱性磷酸酶的活性和有机磷矿化基因(phoD)的丰度，但具备促进异化铁还原和亚硫酸盐异化还原的潜力，这可能促进沉积物磷的释放。本研究结果可能有助于了解沉积物中MP对氮磷循环和微生物驱动的机制，为未来评估MP在淡水生态系统中的环境行为提供基础。
本研究获得国家自然科学基金(31670467)、重庆市科委学技术研究项目(CSTC2021JSCX-XCZX0014)和beat365官方登录入口研究生科研创新项目(YJSKY22032)的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120852
