2023-06-30
《Water Research》
影响因子：13.4
最近，河北工程大学柴蓓蓓老师团队、北京师范大学陈彬老师团队，在《Water Research》发表了题为“Hydrostatic pressure drives microbe-mediated biodegradation of microplastics in surface sediments of deep reservoirs: novel findings from hydrostatic pressure simulation experiments”的论文。文中指出静水压力对小尺寸微塑料（20-500 μm）降解作用明显，在微生物介导下，可加速纤维、颗粒、碎片分解成更小尺寸的微塑料。在宏基因组的数据分析结果中，塑料降解功能基因tphA3丰度受静水压力影响显著，导致PET微塑料尺寸减小。这项研究对静水压力驱动的微生物群落结构、功能基因丰度变化以及水库表层沉积物中微塑料的生物降解关键代谢途径提出了新见解。
研究背景
微塑料（Microplastics，MPs）被称为水中颗粒物和微量金属的特洛伊木马，是指直径小于5 mm的塑料碎片和颗粒，会吸附重金属，抗生素，有机污染物等物质，引起吸入小颗粒微塑料生物的慢性中毒和消化系统堵塞，因此研究微塑料具有重要意义。沉积的微塑料,优先暴露在水体等富含污染物的环境,吸附污染物后会形成独特的微生物群落。同时,微塑料在风化破碎的过程中会释放额外碳源，是微生物选择微塑料定殖的潜在因素，已有研究表明微塑料可改变氮循环相关基因(nifH，AOB_amoA和nirK)的丰度，高静水压力通过调节磷转化基因(ppk，phoD和pqqC)的表达,促进沉积物中Fe/Al-P向Ca-P的转化和磷的释放。关于水源水库中静水压力对沉积物表层微塑料影响信息仍然未知，这对于揭示水环境中由微生物调控的微塑料行为至关重要，因此研究讨论了不同静水压条件下微塑料在沉积物中的分布特性，及其与微生物种群结构和微塑料微生物降解功能基因间偶联机理。可以为揭示微塑料特性在不同静水压条件下的微生物降解代谢途径提供证据。
研究方法
本研究对静水压力驱动微生物介导的深水水库表层沉积物样品进行了宏基因组测序，并对微塑料生物降解途径进行了研究。
研究结果
1、微塑料粒径分布
图1：沉积物样品中微塑料的粒径分布。
（A）基于FTIR结果，在不同压力下有微生物和无微生物反应器的微塑料粒径。（B）基于FTIR结果的四种压力水平下的微塑料尺寸。（C）基于FTIR结果的有微生物和无微生物组中的微塑料尺寸。（D）基于LDIR结果的不同压力下有微生物和无微生物组中的微塑料尺寸。（E）基于LDIR结果的四种压力水平下的微塑料尺寸。（F）基于LDIR结果的有微生物和无微生物组中的微塑料尺寸。AU，大气压；TU，0.2MPa；FU，0.5MPa；SU为0.7MPa。
基于FTIR结果，AU、TU、FU和SU组中微塑料在不同压力下的平均尺寸分别为418.54、595.29、376.54和392.69μm（图A）。基于LDIR结果，AU、TU、FU和SU组在不同压力下的微塑料平均尺寸分别为54.64、44.93、50.64μm和42.54μm（图D）。颗粒明显聚集在20-100μm的尺寸范围内，20-50μm颗粒的数量在20-100微米范围内的比例始终最高。静水压升高使微塑料尺寸呈下降趋势，SU组的平均尺寸最小。尽管基于FTIR的微塑料平均尺寸在FU组中最小（376.54μm），但FTIR和LDIR光谱的共同结果表明，静水压力影响微塑料的尺寸和形状。
2、宏基因分析
图2：不同压力组沉积物样品中微生物群落的功能组成。
（A）降解塑料的微生物属的相对丰度B）塑料降解基因的丰度（C）拥有塑料降解基因的前10个微生物类群的丰度（D）PET微塑料在不同压力下在非抗菌反应器组中的尺寸分布（方框附近的值为平均值）（E）携带asd和ompH基因的前10个微生物类群的丰度。AU，大气压；TU，0.2MPa；FU，0.5MPa；SU为0.7MPa。
丰度前10的属按黄杆菌属、假单胞菌属、节杆菌属、Paenibacillu属、红球菌属、芽孢杆菌属、Chitinophaga属、无色杆菌属、狭窄单胞菌属和Comamonas属的降序排列。这根据宏基因组数据使用RPKM方法计算了已报道的具有塑料生物降解功能基因的丰度。本研究注释到的PS（paaK，feaB）和PE（alkB1，ladA）的生物降解各有两个功能基因，降解PET有四个功能基因（pcaH，pcaG，tphA2，tphA3）。其中，paaK含量最高，占8个功能基因总丰度的73.47%，pcaH含量第二高（8.87%），而tphA3含量最低（0.17%；图B）。此外，携带功能基因的前10个分类群的丰度如图C。其中，Rokubacteria最为丰富，占10个类群总丰度的42.05%，Betaproteobacteria次之（13.44%），Gammaproteobacterias最少（2.84%）。随着静水压的升高，PET降解基因的丰度从210（AU）增加到220（SU），增加了4.76%（图B），这导致PET微塑料的粒径减少了13.66%（图D）。SU组显示出最高丰度的PET降解基因（27.2%）和最小的PET微塑料平均尺寸（366.62μm）。
3、降解功能基因丰度分析
图3：KEGG中AU-FU组和TU-FU组聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）生物降解功能基因的配对比较（两种比较中K18075的P<0.01）
静水压升高，pacG和pacH的相对丰度略有增加，而tphA2和tphA3的相对丰度则不同程度地降低。PET微塑料的平均尺寸也因静水压升高而减小，减小主要发生在TU组和FU组之间。同时，TU组的功能基因相对丰度最低，证实了TU组PET微塑料的平均尺寸大于其他组。因此，静水压力的变化影响了tphA2、tphA3、pacG和pacH基因的丰度。静水压力在功能基因水平上驱动微塑料的微生物降解，导致沉积物表层中微塑料尺寸变化。
图4：基于KEGG的map00624中PET生物降解过程（本研究中注释的两个相关PET生物降解基因用红色标记，本研究中标注的功能基因用绿色标记）。
基于多重比较，K18075（即PET生物降解的tphA3基因）的相对丰度在四个压力组之间存在显著差异（P<0.05）。成对比较显示，AU组和FU组之间（P<0.05）或TU组和FU组之间，tphA3的相对丰度有显著差异（P<0.01）；图A）。PET生物降解过程如图4，基于KEGG数据库的map00624所示，其中涉及本研究中注释的tphA2、tphA3、pacG和pacH基因。这种生物降解过程主要包括PETase活性位点与PET的酯键结合，以及随后由活性位点催化的塑料生物降解。基于参与PET生物降解的代谢途径，pacG和pacH参与3，4-二羟基苯甲酸酯的代谢，并且这两个基因在不同组中都具有较高的相对丰度。
研究结论
本研究对静水压影响下的沉积物微塑料赋存形态进行了分析，证明在有微生物存在的情况下，随着静水压的增大，微塑料的粒径和形状会受到影响，而且这一现象对小粒径微塑料(20-500μm)作用更加明显。沉积物样品宏基因测序分析结果表明，随着静水压的增加，有塑料降解作用的属Rhodococcus, Flavobacterium, Aspergillus等丰度表现出增加的趋势，并注释到了有降解PS，PE，PET作用的功能基因paaK，ladA，tphA2，tphA3等8种，其中tphA3丰度受静水压作用明显，存在显著差异，PET粒径受到高静水压的影响平均粒径变小。本研究为揭示静水压对微塑料降解功能基因影响的作用机理提供了新的见解，在探索微生物种群及相关功能基因对不同静水压的响应特征及代谢途径提供了新思路。
以上研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎讨论区留言或者发邮件给我们哟（邮箱地址：metasupport@personalbio.cn）！
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.
