《Water Research》
影響因子：13.4
最近，河北工程大學(xué)柴蓓蓓老師團(tuán)隊(duì)、北京師范大學(xué)陳彬老師團(tuán)隊(duì)，在《Water Research》發(fā)表了題為“Hydrostatic pressure drives microbe-mediated biodegradation of microplastics in surface sediments of deep reservoirs: novel findings from hydrostatic pressure simulation experiments”的論文。文中指出靜水壓力對(duì)小尺寸微塑料（20-500 μm）降解作用明顯，在微生物介導(dǎo)下，可加速纖維、顆粒、碎片分解成更小尺寸的微塑料。在宏基因組的數(shù)據(jù)分析結(jié)果中，塑料降解功能基因tphA3豐度受靜水壓力影響顯著，導(dǎo)致PET微塑料尺寸減小。這項(xiàng)研究對(duì)靜水壓力驅(qū)動(dòng)的微生物群落結(jié)構(gòu)、功能基因豐度變化以及水庫(kù)表層沉積物中微塑料的生物降解關(guān)鍵代謝途徑提出了新見解。
微塑料（Microplastics，MPs）被稱為水中顆粒物和微量金屬的特洛伊木馬，是指直徑小于5 mm的塑料碎片和顆粒，會(huì)吸附重金屬，抗生素，有機(jī)污染物等物質(zhì)，引起吸入小顆粒微塑料生物的慢性中毒和消化系統(tǒng)堵塞，因此研究微塑料具有重要意義。沉積的微塑料,優(yōu)先暴露在水體等富含污染物的環(huán)境,吸附污染物后會(huì)形成獨(dú)特的微生物群落。同時(shí),微塑料在風(fēng)化破碎的過(guò)程中會(huì)釋放額外碳源，是微生物選擇微塑料定殖的潛在因素，已有研究表明微塑料可改變氮循環(huán)相關(guān)基因(nifH，AOB_amoA和nirK)的豐度，高靜水壓力通過(guò)調(diào)節(jié)磷轉(zhuǎn)化基因(ppk，phoD和pqqC)的表達(dá),促進(jìn)沉積物中Fe/Al-P向Ca-P的轉(zhuǎn)化和磷的釋放。關(guān)于水源水庫(kù)中靜水壓力對(duì)沉積物表層微塑料影響信息仍然未知，這對(duì)于揭示水環(huán)境中由微生物調(diào)控的微塑料行為至關(guān)重要，因此研究討論了不同靜水壓條件下微塑料在沉積物中的分布特性，及其與微生物種群結(jié)構(gòu)和微塑料微生物降解功能基因間偶聯(lián)機(jī)理。可以為揭示微塑料特性在不同靜水壓條件下的微生物降解代謝途徑提供證據(jù)。
本研究對(duì)靜水壓力驅(qū)動(dòng)微生物介導(dǎo)的深水水庫(kù)表層沉積物樣品進(jìn)行了宏基因組測(cè)序，并對(duì)微塑料生物降解途徑進(jìn)行了研究。
圖1：沉積物樣品中微塑料的粒徑分布。
（A）基于FTIR結(jié)果，在不同壓力下有微生物和無(wú)微生物反應(yīng)器的微塑料粒徑。（B）基于FTIR結(jié)果的四種壓力水平下的微塑料尺寸。（C）基于FTIR結(jié)果的有微生物和無(wú)微生物組中的微塑料尺寸。（D）基于LDIR結(jié)果的不同壓力下有微生物和無(wú)微生物組中的微塑料尺寸。（E）基于LDIR結(jié)果的四種壓力水平下的微塑料尺寸。（F）基于LDIR結(jié)果的有微生物和無(wú)微生物組中的微塑料尺寸。AU，大氣壓；TU，0.2MPa；FU，0.5MPa；SU為0.7MPa。
基于FTIR結(jié)果，AU、TU、FU和SU組中微塑料在不同壓力下的平均尺寸分別為418.54、595.29、376.54和392.69μm（圖A）。基于LDIR結(jié)果，AU、TU、FU和SU組在不同壓力下的微塑料平均尺寸分別為54.64、44.93、50.64μm和42.54μm（圖D）。顆粒明顯聚集在20-100μm的尺寸范圍內(nèi)，20-50μm顆粒的數(shù)量在20-100微米范圍內(nèi)的比例始終最高。靜水壓升高使微塑料尺寸呈下降趨勢(shì)，SU組的平均尺寸最小。盡管基于FTIR的微塑料平均尺寸在FU組中最小（376.54μm），但FTIR和LDIR光譜的共同結(jié)果表明，靜水壓力影響微塑料的尺寸和形狀。
圖2：不同壓力組沉積物樣品中微生物群落的功能組成。
（A）降解塑料的微生物屬的相對(duì)豐度B）塑料降解基因的豐度（C）擁有塑料降解基因的前10個(gè)微生物類群的豐度（D）PET微塑料在不同壓力下在非抗菌反應(yīng)器組中的尺寸分布（方框附近的值為平均值）（E）攜帶asd和ompH基因的前10個(gè)微生物類群的豐度。AU，大氣壓；TU，0.2MPa；FU，0.5MPa；SU為0.7MPa。
豐度前10的屬按黃桿菌屬、假單胞菌屬、節(jié)桿菌屬、Paenibacillu屬、紅球菌屬、芽孢桿菌屬、Chitinophaga屬、無(wú)色桿菌屬、狹窄單胞菌屬和Comamonas屬的降序排列。這根據(jù)宏基因組數(shù)據(jù)使用RPKM方法計(jì)算了已報(bào)道的具有塑料生物降解功能基因的豐度。本研究注釋到的PS（paaK，feaB）和PE（alkB1，ladA）的生物降解各有兩個(gè)功能基因，降解PET有四個(gè)功能基因（pcaH，pcaG，tphA2，tphA3）。其中，paaK含量最高，占8個(gè)功能基因總豐度的73.47%，pcaH含量第二高（8.87%），而tphA3含量最低（0.17%；圖B）。此外，攜帶功能基因的前10個(gè)分類群的豐度如圖C。其中，Rokubacteria最為豐富，占10個(gè)類群總豐度的42.05%，Betaproteobacteria次之（13.44%），Gammaproteobacterias最少（2.84%）。隨著靜水壓的升高，PET降解基因的豐度從210（AU）增加到220（SU），增加了4.76%（圖B），這導(dǎo)致PET微塑料的粒徑減少了13.66%（圖D）。SU組顯示出最高豐度的PET降解基因（27.2%）和最小的PET微塑料平均尺寸（366.62μm）。
圖3：KEGG中AU-FU組和TU-FU組聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）生物降解功能基因的配對(duì)比較（兩種比較中K18075的P<0.01）
靜水壓升高，pacG和pacH的相對(duì)豐度略有增加，而tphA2和tphA3的相對(duì)豐度則不同程度地降低。PET微塑料的平均尺寸也因靜水壓升高而減小，減小主要發(fā)生在TU組和FU組之間。同時(shí)，TU組的功能基因相對(duì)豐度最低，證實(shí)了TU組PET微塑料的平均尺寸大于其他組。因此，靜水壓力的變化影響了tphA2、tphA3、pacG和pacH基因的豐度。靜水壓力在功能基因水平上驅(qū)動(dòng)微塑料的微生物降解，導(dǎo)致沉積物表層中微塑料尺寸變化。
圖4：基于KEGG的map00624中PET生物降解過(guò)程（本研究中注釋的兩個(gè)相關(guān)PET生物降解基因用紅色標(biāo)記，本研究中標(biāo)注的功能基因用綠色標(biāo)記）。
基于多重比較，K18075（即PET生物降解的tphA3基因）的相對(duì)豐度在四個(gè)壓力組之間存在顯著差異（P<0.05）。成對(duì)比較顯示，AU組和FU組之間（P<0.05）或TU組和FU組之間，tphA3的相對(duì)豐度有顯著差異（P<0.01）；圖A）。PET生物降解過(guò)程如圖4，基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)的map00624所示，其中涉及本研究中注釋的tphA2、tphA3、pacG和pacH基因。這種生物降解過(guò)程主要包括PETase活性位點(diǎn)與PET的酯鍵結(jié)合，以及隨后由活性位點(diǎn)催化的塑料生物降解。基于參與PET生物降解的代謝途徑，pacG和pacH參與3，4-二羥基苯甲酸酯的代謝，并且這兩個(gè)基因在不同組中都具有較高的相對(duì)豐度。
本研究對(duì)靜水壓影響下的沉積物微塑料賦存形態(tài)進(jìn)行了分析，證明在有微生物存在的情況下，隨著靜水壓的增大，微塑料的粒徑和形狀會(huì)受到影響，而且這一現(xiàn)象對(duì)小粒徑微塑料(20-500μm)作用更加明顯。沉積物樣品宏基因測(cè)序分析結(jié)果表明，隨著靜水壓的增加，有塑料降解作用的屬Rhodococcus, Flavobacterium, Aspergillus等豐度表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，并注釋到了有降解PS，PE，PET作用的功能基因paaK，ladA，tphA2，tphA3等8種，其中tphA3豐度受靜水壓作用明顯，存在顯著差異，PET粒徑受到高靜水壓的影響平均粒徑變小。本研究為揭示靜水壓對(duì)微塑料降解功能基因影響的作用機(jī)理提供了新的見解，在探索微生物種群及相關(guān)功能基因?qū)Σ煌o水壓的響應(yīng)特征及代謝途徑提供了新思路。
以上研究的測(cè)序和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。如需進(jìn)一步討論，歡迎討論區(qū)留言或者發(fā)郵件給我們喲（郵箱地址：[email protected]）！
文章索引
Yu K, Chai B, Zhuo T, Tang Q, Gao X, Wang J, He L, Lei X, Chen B. Hydrostatic pressure drives microbe-mediated biodegradation of microplastics in surface sediments of deep reservoirs: Novel findings from hydrostatic pressure simulation experiments. Water Res. 2023 Jun 11;242:120185. doi: 10.1016/j.watres.2023.120185. Epub ahead of print. PMID: 37327543.
