河湖网 2022-07-25 19:58 发表于北京

期刊：ISME Communications

题目：The travelling particles: community dynamics of biofilms on microplastics transferred along a salinity gradient

发表时间：2022年4月11日

第一及通讯作者：Jessica Song

主要单位：Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research （德国）

摘要

微塑料 (MP) 作为水生生态系统中微生物定殖的新生态位，由于它们有可能在不同环境中传播外来或入侵物种，因此越来越受到关注。众所周知，MP 含有多种微生物，但人们对其生物膜的动态，尤其是在以盐度梯度为特征的不同水生生态系统中的动态变化过程知之甚少。作者使用合成（高密度聚乙烯HDPE 和磨损的轮胎TW）和天然（木材）基质进行了原位连续孵育定殖实验，以模拟 MP 从河流到沿海的输移。将孵育颗粒上的细菌群落相互比较以及与周围水体细菌群落进行比较，并研究它们沿梯度的动态。所有群落在盐度梯度上的整体结构都存在显著差异，并且受到不同生态过程的影响。HDPE 群落构建以环境选择的确定性过程为主，但 TW 和 Wood 上的群落构建则受扩散和漂移的随机过程影响。在转移到沿海海水后，在 HDPE 和 TW群落中观察到几乎完全的周转。本研究结果对 MP 生物膜及其在不同水生系统中输移的动态变化进行了广泛的评估，为 MP 作为生物膜运输载体的作用提供了新见解。

主要方法

样品孵育和收集：2018 年 7 月至 2018 年 9 月，沿着跨越从威悉河到德国黑尔戈兰（北海）近海岛屿横断面的盐度梯度进行了连续孵育实验。将4 mm大小的HDPE，TW和木颗粒分别封装在不锈钢网格，然后置于金属笼子中。其中一个金属笼子沿沿四个地点（不来梅、布雷克、不来梅港、黑尔戈兰）按照预定的时间段（33天，14天，13天，23天）依次孵育；另外有一个笼子直接置于黑尔戈兰沿海水体中，作为对照。每个地点预定孵育时间结束后收集每种类型（HDPE，TW和木颗粒）的样品和周围水体样品。

图1沿盐度梯度从河流淡水到沿海海水进行连续孵育实验

样品测试与分析：水体样品依次过滤3.0µm和0.2µm滤膜获得颗粒附着（particle-associated）和游离（free-living）细菌群落。所有样品提取DNA，进行16S rRNA基因（341F/785R）测序，采用ASV（Amplicon sequence variants）进行后续微生物群落多样性、组成、群落结构和周转、构建机制的分析。

主要结果

细菌群落组成：所有样本类型细菌群落主要由变形菌门组成（平均相对丰度 > 40%），并以三个常见纲为主，即Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和 Bacterodia（图2）。Alphaproteobacteria在HDPE、Wood 和浮游细菌群落（Water02）中所占比例最大，而 TW 和颗粒附着的细菌群落（Water3）以Gammaproteobacteria为主。TW 相关的 Gammaproteobacteria主要由Oceanospirillales 组成。在木颗粒上检测到的Alphaproteobacteria主要由红杆菌和鞘氨醇单胞菌组成。与 HDPE 相关的Alphaproteobacteria主要由Rhodobacterales 组成。然而，HDPE 群落比其他样本类型更异质，并且由更多的低丰度类别组成。因此，HDPE 和其他样品类型之间的差异以较少丰富的门为标志，例如Chloroflexi (6%) 和 Cyanobacteria (2%)，以及其他不足 1% 的门。在三个基质中，HDPE 和TW 共享最多的 ASV，其次是 HDPE 和木材。

图2 纲水平上样品中细菌群落的组成

细菌群落分类学和系统发育多样性和结构：HDPE群落的分类学和系统发育多样性是所有地点所有样本类型中最高的（图3）。虽然显著高于其他样本类型，但 HDPE 群落的整体多样性与颗粒附着细菌群落相当。相反，TW群落多样性最低。计算的负 ses.PD 值所示，所有群落的系统发育多样性均低于偶然预期。PERMANOVA分析发现分类和系统发育的差异由样本类型和采样地点决定，两个因素之间存在显著的相互作用。每个站点的所有样本类型之间的总体群落结构都存在显著差异。虽然 HDPE、TW 和 Wood 群落在所有地点的结构上始终存在差异，但 HDPE 和 TW 群落之间的差异似乎沿着梯度逐渐减小。

图3 样品中细菌群落分类学和系统发育多样性

沿盐度梯度的细菌群落结构变化：孵化颗粒上的群落沿着盐度梯度遵循不同的变化模式（图4）。HDPE 和 TW 群落的整体结构在河流站点之间没有显著变化，除了某些站点之间的丰度变化。然而，在它们从咸水转移到沿海海水时，观察到它们的整体结构发生了显著变化。Wood 群落的结构，类似于颗粒附着和游离的细菌群落，在大多数地点之间存在显著差异。在每个群落内，由于盐度梯度的影响，结构差异很明显，特别是在咸水和沿海海水之间的过渡区。

图4样品细菌群落的系统发育结构（通过加权和未加权的 UniFrac 距离计算系统发育差异）

细菌群落组装构建机制和周转：在河流站点之间，由于同质环境条件施加的选择压力（同质选择，图 5），HDPE群落的组成周转率低于偶然预期。相反，TW群落不受选择或扩散的影响，并且经历了由跨河流站点由随机过程塑造的非显著周转。木材群落，类似于颗粒附着和游离细菌群落，是由确定性和随机过程相结合形成的。在淡水区，由于同质选择，木材群落的周转低于预期。从微咸水到沿海海水的置换导致 HDPE 和 TW群落几乎完全周转，其中群落差异为 75% 和 72%。木材群落的平均差异为 51%，并且嵌套程度略高，沿着这一段梯度观察到的分类学和系统发育差异分别有 10% 和 15% 归因于物种损失/获得。Alphaproteobacteria对 HDPE 群落沿梯度的差异贡献最大，即红杆菌科的普遍增加。在转移到沿海海水中后，硫毛菌科和黄杆菌科的招募也导致了沿这段梯度观察到的巨大成分差异。木材群落内的变化同样是由河流地区红杆菌科和鞘氨醇单胞菌科的增加驱动的，但在转移到沿海海水后，它们的数量下降了近两倍。在木材从淡水转移到微咸水和沿海海水时，还观察到黄杆菌科的大量增加。TW群落内沿梯度的组成差异主要归因于Gammaproteobacteria，主要表现为 SS1-B-06-26 家族的变化。

图5样品细菌群落的组装构建机制由不同生态过程主导

总结

这项研究首次研究了沿盐度梯度的合成和天然基质表面上的细菌群落动态。除了提供对MP生物膜的更深入了解外，本研究还表明，这些基质从河流到沿海海水的置换引起了群落的高周转，这表明物种不太可能大规模地在这些水生环境中转移。尽管如此，发现 HDPE 和 TW 能够将某些淡水类群漂流到海水环境中，其中一些可能是有害的。本研究作者还证实了TW作为细菌底物的特异性，并为进一步研究这些生物膜的功能提供了借鉴，以更全面地评估MP作为细菌运输载体的作用及其潜在威胁。