微塑料衍生的溶解有机物质成分决定了微囊藻（Microcystis aeruginosa）与细菌之间的相互作用网络及微生物群落的组成

《Harmful Algae》：Microplastic-derived dissolved organic matter components determine Microcystis aeruginosa-bacteria interaction network and community assembly

微塑料降解产生的溶解有机物（DOM）荧光特性差异显著影响蓝藻-细菌共附生群落结构，生物降解PBAT-DOM通过富集难降解腐殖酸类物质降低细菌多样性并促进Burkholderia属优势，而常规PE/PET-DOM以易代谢蛋白质类为主，维持较高群落均匀度与多菌属交替主导。

　　

谢宗杰|李慧敏|冯佳|谢淑莲|刘洋

中国山西省大学生命科学学院区域植物研究与开发重点实验室，太原 030006

摘要

淡水生态系统正面临日益严重的微塑料污染威胁，而这些颗粒释放的溶解有机物质（DOM）成为了一个新兴的生态风险因素。在这项研究中，通过为期28天的共培养实验，探讨了光老化（UVA-340）后的可生物降解聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）微塑料与传统的聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸酯（PET）微塑料所产生的DOM对有害蓝藻Microcystis aeruginosa PCC 7806相关细菌群落的比较影响。激发-发射矩阵结合平行因子分析表明，PBAT-DOM富含难降解的腐殖质类成分，而PE-DOM和PET-DOM则以蛋白质类荧光为主。这些化学特征带来了显著的生物学后果：PBAT-DOM显著降低了细菌多样性，并促进了Burkholderia–Caballeronia–Paraburkholderia菌群的后期优势，同时基于零模型和βNTI分析，随机过程的贡献也更高。相比之下，PE-DOM和PET-DOM保持了更高的群落均匀性，并支持多种共优势菌属之间的时间变化性演替（例如Bdellovibrio、Sphingomonas以及与Chryseobacterium/Flavobacterium相关的拟杆菌门菌属）。稀疏逆协方差估计生态关联推断（SPIEC-EASI）显示，PBAT-DOM形成的网络模块化程度最高，正条件关联的比例相对较低，而PE-DOM和PET-DOM形成的网络则具有不同的组织模式。这些发现表明，微塑料衍生DOM的化学特征对微生物组装机制有重要影响。特别是，来自可生物降解塑料的持久性腐殖质物质可能通过重构细菌群落和碳循环来调节生态过程，从而增加营养敏感型淡水生态系统的环境风险。总之，微塑料风险评估应纳入DOM介导的效应，以更好地预测其对水生生态系统的长期影响。

引言

全球塑料废物年产量已飙升至3.8亿吨，其中约79%由于处理不当进入自然生态系统，对海洋和陆地生物多样性构成了前所未有的威胁（Law等人，2014；Siegfried等人，2017）。随着塑料垃圾的持续积累，微塑料（定义为小于5毫米的塑料颗粒）通过河流和沿海途径越来越多地进入海洋生态系统（Zhang等人，2020；Fen等人，2018）。在这一传输过程中，风化过程导致微塑料衍生溶解有机物质（MPs-DOM）的释放，引发了新的环境问题。最近的研究表明，MPs-DOM的流量和化学组成受到聚合物类型（如可生物降解与不可生物降解）和老化过程（如紫外线辐射、机械磨损）的显著影响（Sun等人，2023）。与传统塑料相比，可生物降解塑料在环境降解过程中可能释放具有不同分子特性的DOM（Sun等人，2022）。这种新型MPs-DOM可以影响生物地球化学循环（Romera-Castillo等人，2018），触发活性氧（ROS）爆发（Xu等人，2022），促进污染物的共传输（Lee等人，2021），并促成消毒副产物的形成（Lee等人，2020），从而改变了我们对微塑料相关生态风险的理解。然而，关于可生物降解微塑料衍生DOM的证据主要集中在陆地和土壤环境中，而在水生系统中的机制理解仍相对有限（Qiu等人，2024；Lee等人，2020；Zhang等人，2024）。

在淡水生态系统中，Microcystis aeruginosa是一种在有害藻华期间占主导地位的蓝藻，它严重依赖其相关的细菌群落来维持竞争优势（Kim等人，2019）。藻类-细菌之间的相互作用通过“代谢物交换-信号转导”双向机制进行调节。M. aeruginosa分泌胞外多糖和有机酸，作为附生细菌的碳源（Buchan等人，2014），而细菌则产生铁载体和维生素B₁₂，显著增强藻类的光合作用（?rst?l和Hohmann-Marriott，2019；Bunbury等人，2022）。最近的研究表明，细菌群落的重构可以调节关键生态过程，包括通过胞外酶分泌加速有机物的矿化（Yee等人，2023），通过酰基-高丝氨酸内酯调节藻类的群体感应（Chi等人，2017），以及通过基因簇转化微囊藻毒素（Le Manach等人，2019）。这种紧密耦合的藻类-细菌网络使细菌群落成为评估环境污染物生态风险的敏感指标。

然而，目前关于微塑料-藻类相互作用的研究主要集中在物理效应（如遮光和机械损伤）和化学毒性（如添加剂浸出）上。例如，Ansari等人（2022）报告称聚乙烯（PE）微塑料通过抑制叶绿素生物合成抑制了Scenedesmus obliquus的生长，而Scenedesmus abundans则通过胞外聚合物物质有效吸附聚苯乙烯微球（Cheng和Wang，2022）。值得注意的是，最近针对土壤的研究表明，与传统和可生物降解塑料相关的溶解有机物质可以改变微生物群落结构和代谢潜力（Qiu等人，2024）。这些发现表明，不同来源的MPs-DOM可能通过其独特的“化学指纹”对微生物群落进行靶向调节——这种机制在水生系统中尤其是藻球微环境中尚未得到充分研究。这一差距对于Microcystis藻华尤为重要，因为与Microcystis菌群相关的细菌通常与自由生活的菌群不同，并能快速响应溶解有机物质质量的变化（Smith等人，2021）。

基于此背景，本研究选择了广泛存在的不可生物降解塑料PE和聚对苯二甲酸酯（PET），以及一种有前景的可生物降解替代品聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）（PlasticsEurope，2023）作为代表性微塑料。选择PBAT是因为它广泛用于柔性薄膜产品，包括包装膜和袋子，同时也常见于可生物降解的地膜配方中。这些使用场景增加了环境泄漏的可能性，碎片和渗出物可能通过废物管理不当和径流进入地表水（European Bioplastics，2024；Roy等人，2024；Gao等人，2021）。建立了一个涉及M. aeruginosa PCC 7806和MPs衍生DOM的实验室共培养系统，结合激发-发射矩阵光谱学与平行因子分析（EEM-PARAFAC）和16S rRNA基因测序，系统地探讨以下科学问题：（1）不同MPs释放的DOM荧光成分的组成特征和时间动态是什么？（2）MPs-DOM如何影响细菌群落的多样性和功能重组？（3）MPs-DOM的化学特征与微生物群落演替之间的耦合机制是什么？假设来自不可生物降解和可生物降解塑料的MPs-DOM通过化学组成的变化（如荧光成分）不同地调节细菌群落的结构和代谢功能，选择性地促进或抑制特定功能类群。这些发现旨在支持可生物降解塑料的环境安全评估，并为管理淡水生态系统中的微塑料污染提供有价值的数据。

部分摘录

微塑料和MPs-DOM提取的选择

选择了三种代表性的微塑料：可生物降解的PBAT和传统的不可生物降解聚合物PE和PET。使用傅里叶变换红外光谱法确认了聚合物类型（图S1）。所有塑料颗粒（80目；中国广东东莞兴旺塑料公司）在使用前用超纯水超声波清洗了三次。MPs-DOM的提取遵循Chen等人（2022）的方案，并进行了修改。

藻类培养中MPs-DOM的荧光特征

EEM-PARAFAC分析在所有处理组的DOM中识别出三种主要荧光成分（图1）。成分1的激发/发射（Ex/Em）波长为225（280）/330纳米，对应于色氨酸类物质（峰值T），在所有样本中均被检测到，表明存在基线微生物代谢物。成分2表现出蛋白质类荧光特征，特别是酪氨酸类信号。

MPs-DOM的化学特征和生态效应

EEM-PARAFAC结果显示，不同塑料的老化产生了具有明显不同化学特征的DOM，导致了不同的生态效应。光老化的PBAT释放的DOM高度腐殖质化，这一点从第0天的主导腐殖质类荧光和更高的腐殖化信号中得到证实（表1），与CK、PE-DOM和PET-DOM相比（图1）；培养时间模式见图S3。这与最近的研究结果一致，表明可生物降解塑料

结论

本研究表明，光老化的微塑料产生的DOM在结构和组成上具有明显差异，引发了不同的生态后果。可生物降解的PBAT释放的DOM富含难降解的腐殖质类芳香化合物，生物可利用性较低，而传统聚合物（PE和PET）产生的DOM则富含易降解的蛋白质类成分，生物可利用性较高。以腐殖质为主的PBAT-DOM在浮游植物相关群落中引起了显著的生态重组

未引用的参考文献

Ansari等人，2021；Csardi和Nepusz，2006；Lee等人，2020；Wang等人，2023

CRediT作者贡献声明

谢宗杰：撰写——初稿、软件、方法学、正式分析、数据管理。李慧敏：软件、正式分析、数据管理。冯佳：资源获取、资金筹集。谢淑莲：资源获取、资金筹集。刘洋：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹集、概念构思。