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微塑料对土壤微生物群落结构的影响

来源:admin    发布时间:2020-07-30   阅读数:36

微塑料(Microplastics)通常指直径小于5mm的塑料,由农业生产地膜覆盖、垃圾填埋、污水处理等途径产生,在极地、海洋、淡水、土壤甚至是大气等自然环境中广泛存在。其中陆地系统储存了大部分的微塑料,在欧洲和美洲每年就约有70万吨微塑料进入农田系统,对土壤造成了不小的污染。《自然-地球科学》在今年四月发表了一项研究,收集偏远地区的大气中的沉积物样本,发现其中含有大量塑料微粒;纽约时报曾报道人体内有微塑料的存在等。


微塑料对土壤微生物群落结构的影响

有研究表明微塑料对生态系统的影响表现在方方面面,除了本身降解产生有毒物质对人畜产生健康威胁外,还会对系统中的动物生长、微生物群落结构产生显著影响。目前微塑料的研究主要集中在对土壤理化性质改变以及植物生长方面,对土壤微生物群落结构的影响研究还比较缺乏。北京大学环境科学与工程学院生态过程与环境生物技术实验室:黄艺老师课题组,近期连发两篇文章,运用高通量测序技术,从大田实验和实验室培养两种角度探索微塑料对土壤微生物群落结构和功能的影响。

棉花覆盖膜微塑料对土壤微生物群落结构的影响

Microplastics from mulching film is a distinct habitat for bacteria in farmland soil

Author:Mengjun Zhang, Yanran Zhao, Xiao Qin, Yi Huang et al.

Journal:Sience of Total Environmental

IF:5.589

Online:8 June 2019

低密度聚乙烯能改变土壤微生物群落结构和酶活

LDPE Microplastic Films Alter Microbial Community Composition and Enzymatic Activities in Soil

Author:Yi Huang, Yanran Zhao, Jie Wang, et al.

Journal:Environmental Pollution

IF:5.714

Online:30 July 2019


一、实验设计

1、大田:

作者从新疆石河子超过30年地膜覆盖的农田里随机取样,同一个样本分成大塑料、植物残渣和含微塑料的土壤部分,和空白土壤样本于-80℃保存。从土壤样本中过滤得到的微塑料用傅里叶变换红外光谱(u-FTIR)确认材料类型,用扫描电镜(SEM)观察形态结构。样本用DNeasy Powersoil Kit提取DNA后,引物338F和806R对16S rRNA V3V4高变区进行特异扩增,建库后于Illumina Miseq平台进行高通量测序。随后用生物信息学手段对微生物群落结构进行分析,其中包括了序列基本处理、物种注释、α和β-多样性分析以及共现性微生物群落分子网络分析等。

2、实验培养:

该部分,作者把研究带回到实验室,将目标集中在商用低密度聚乙烯薄膜(low density PE)添加到土壤进行培育后对微生物群落结构的影响上。

从北京大学未名湖畔采集土壤样本,2mm过筛,用荧光显微镜法检测土壤中的微塑料。将清洗过表面微生物的PE碎片和干净土壤进行混合培育(200片/100g土,终浓度0.076g/kg)90天,分6个时间点取样。随后检测样本中过氧化氢酶(catalase)、尿素酶(urease)和转化酶(invertase)的酶活。最后对样本进行DNA提取、扩增、建库测序。生物信息学分析基本和大田实验中保持一致,主要增加了PICRUST功能预测和LEfSe分析。

以上两部分实验样本都是三个重复,生物信息学统计分析也基于三个重复。


二、结论

文章一的部分结果展示:

 样本shannon指数,B四种样本NMDS,C门水平物种相对丰度
图1. A 样本shannon指数,B四种样本NMDS,C门水平物种相对丰度,物种群落结构方面,Actinobacteria和Proteobacteria是所有样本的优势菌群(26.79-57.52%)(Figure 2C),Actinobacteria和Bacteroidetes在大塑料和微塑料中的占比显著高于土壤样本,显示该材料有特异性选择微生物种群的能力。


a级黄色片图2.差异OTU相对丰度分析

图2. 差异OTU相对丰度分析


文章二部分结果展示:

a级黄色片图3. 微塑料土壤和空白对照
图3. 微塑料土壤和空白对照catalase/urease/invertase酶活检测,微塑料对尿素酶、过氧化氢酶活性有显著提高,转化酶在第15天的时候有微弱提高


a级黄色片图4. 不同样本中α-多样性指数分析
图4. 不同样本中α-多样性指数分析,含微塑料的土壤其指数显著降低


本文作者运用高通量测序技术,就微塑料对土壤微生物群落结构和功能影响主题从大田试验和实验室试验两个角度进行了系统研究和详细探讨说明。结果发现,无论是在棉花地还是实验室添加微塑料的土壤,微塑料这一来自农业和日常生活的污染物对土壤群落结构都有显著的改变,和周边环境有很大差异,其由于自身风化空隙变大结构松散和作为潜在碳源的原因,构成了自己独特的微环境(plastisphere), 虽然微生物多样性在一定程度上有所降低,但对土壤微生物有显著的富集作用。针对这一主题,未来还需要更多的实验进行进一步细致的研究。

人类与微塑料的关系可能比我们想象的还要“亲密”,我们所不知道的秘密还有很多,例如它是如何通过“海空陆”进行迁移;对微生物会产生哪些效应;对人类的影响,对生态的改变等等。虽然暂时没有确凿的证明证实微塑料从何而来,但是可以推测人们日常生活生产中使用的塑料制品是微塑料污染的主要来源。a级黄色片将持续关注微塑料的研究进展以及黄艺老师课题组的新发现。期待大家共同关注生态环境,绿色环保,这样也许“流浪地球”那一天永远不会来到!




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