纳米塑料与氧氟沙星共同暴露对海洋浮游微生物群落及二甲基磺丙酸（DMSP）动态的影响

《Marine Environmental Research》：Impacts of Co-exposure to Nanoplastics and Ofloxacin on Marine Planktonic Microbial Communities and DMSP Dynamics

本研究通过19天微宇宙实验，探讨纳米塑料（NPs）和环丙沙星（OFL）单质及复合暴露对近海海水浮游微生物群落及DMSP循环的影响。结果表明，联合暴露显著抑制后期生物量恢复，导致DMSP浓度先积累后持续下降，伴随真核微生物和总生物量锐减。功能耦合分析显示，存活群落DMSP合成与降解相关基因丰度升高，但群落结构稳定性降低和功能冗余减少，导致海水DMSP储备维持受阻。研究证实，NPs与抗生素复合污染通过破坏微生物群落结构及功能冗余，显著干扰近海DMSP循环，为评估混合污染物对海洋硫循环及气候的影响提供实验证据。

　　

江宇柔|舒旺新|万继远|严金科|刘倩|江勇

教育部进化与海洋生物多样性重点实验室，中国海洋大学进化与海洋生物多样性研究所，青岛266003

摘要

二甲基磺基丙酸（DMSP）是海洋食物网中的关键有机硫化合物，也是气候活性气体二甲基硫（DMS）的主要前体，然而在新兴污染物的共同影响下，其在水柱中的循环过程仍知之甚少。我们进行了一项为期19天的微宇宙实验，以研究纳米塑料（NPs）和抗生素氧氟沙星单独或联合暴露对沿海海水中浮游微生物群落及DMSP循环的长期影响。结果显示，联合暴露的抑制作用比单一污染物更为显著，尤其是在抗生素单独处理时观察到的后期生物量恢复明显减弱。DMSP的动态表现出双相破坏模式：初期出现短暂积累，随后实验后期浓度持续偏低，这与微真核生物和总生物量的显著下降相吻合。联合宏基因组学和流式细胞术分析揭示了一种“功能解耦”现象，即存活的群落中DMSP合成和降解相关基因的相对丰度升高，而微真核生物生物量和整个群落规模的急剧减少限制了水柱中DMSP库的维持和更新。共现网络分析进一步表明，联合暴露使微生物网络从更分散、复杂的结构简化为高度集中的结构，节点和关键类群数量减少，且沿污染梯度稳定性指数下降。这些发现共同表明，纳米塑料和抗生素的共存会通过侵蚀群落结构稳定性和功能冗余来干扰DMSP相关功能，为沿海DMSP循环对混合污染物压力的脆弱性提供了实验证据。

引言

作为海洋生物地球化学循环的基石，二甲基磺基丙酸（DMSP）是一种天然产生的硫化合物，对海洋生物和全球气候具有深远影响。它在海洋生物的生理特性和功能中起着重要作用，例如作为强效的渗透保护剂，并且在环境压力下作为抗氧化系统清除活性氧（ROS）（Kiene等人，2000年；Sunda等人，2002年）。更重要的是，DMSP是气候活性气体二甲基硫（DMS）的主要前体，后者在微生物代谢、全球硫循环和趋化性中起着关键作用。一旦释放到大气中，DMS会发生氧化，产生可作为云凝结核的化合物，从而可能影响气候。因此，DMSP在海洋硫循环和全球气候系统之间形成了关键联系（Deng等人，2021年；Li等人，2021年）。在黄海，特别是本研究采集样本的青岛沿海水域，总DMSP浓度表现出明显的季节性波动，通常在5到44 nmol L^-1之间（Liu等人，2022年）。

鉴于DMSP在海洋生态系统和全球气候调节中的核心作用，其合成、代谢和环境驱动因素长期以来一直是科学研究的重点。多种因素影响DMSP的合成和降解，包括环境物理化学条件（如盐度、温度、光照和营养浓度）以及生物因素（Liu等人，2024年；Lyon等人，2011年；Ma和Yang，2023年）。作为这一生物地球化学循环的基础，微藻是DMSP的主要生产者。然而，它们的生理完整性正受到新兴污染物的日益威胁；最近的定量研究表明，纳米塑料会严重损害微藻的生长（Gao等人，2021年）、光合作用效率和色素含量，并引起显著的氧化应激。除了这些主要生产者外，海洋微生物群落作为DMSP生产和降解的关键参与者也发挥着关键作用（Curson等人，2017年；Gage等人，1997年；Kettles等人，2014年；Lyon等人，2011年）。这些群落的组成、结构和代谢活性的变化对于通过裂解酶或去甲基化途径调节DMSP合成和生物转化至关重要，从而驱动海洋硫循环并支撑生态系统内的物质和能量流动（Song等人，2020年；Zhang等人，2019年）。

在这些新兴威胁中，纳米塑料和抗生素在全球海洋生态系统中的存在尤为普遍（Wang等人，2024a；Yu等人，2023年）。这些污染物的个体风险已有充分记录：大量塑料废物进入海洋环境（Jambeck等人，2015年；Sharma和Chatterjee，2017年），随后通过多种环境风化或微生物降解作用分解为纳米塑料（<1 μm）（Min等人，2020年；Yee等人，2021年）。由于纳米塑料体积微小且比表面积大（Gigault等人，2018年），它们具有较高的生物可利用性，可通过物理磨损和氧化应激直接损害微生物（Shi等人，2024年）。同时，抗生素的过度使用和排放导致其在水生生态系统中的普遍污染，在多个海域检测到μg/L水平的浓度（Lu等人，2018年；Zou等人，2011年）。抗生素通过抑制基本生理功能或选择抗生素抗性直接破坏微生物群落稳定性（Mu等人，2023年）。鉴于这两种污染物的普遍性，了解它们的相互作用对于评估实际环境风险至关重要。

当纳米塑料和抗生素共存时，环境风险会大幅增加，因为纳米塑料的疏水表面可作为抗生素的有效传输载体，提高其生物可利用性和潜在毒性（Bastante-Rabadán和Boltes，2024年）。基于一项全球荟萃分析（Ge等人，2024年），纳米塑料与传统污染物之间的相互作用可能非常复杂，表现为加性、协同或拮抗效应，具体取决于聚合物类型和颗粒的老化状态。基于这一前提，我们之前的工作系统地研究了共存的纳米塑料和氧氟沙星（OFL）在浓度梯度上的联合效应。该研究显示，两种污染物的浓度增加会导致越来越强的影响，证明了联合暴露的剂量依赖性毒性，并发现浮游微生物比底栖微生物更容易受到这种联合压力的影响（Liu等人，2023b）。虽然我们的先前研究描述了急性反应，但关于长期功能后果的知识仍存在显著空白。具体而言，纳米塑料和抗生素的共存如何影响海洋微生物群落的结构和相互作用，改变介导DMSP代谢的关键功能基因的丰度，以及最终如何改变海洋DMSP的平衡，目前仍缺乏探索。

为了解决这些关键知识空白，本研究设计了一个为期19天的长期微宇宙实验。基于我们之前工作的风险评估，本研究旨在验证纳米塑料和OFL共存对海洋浮游微生物生态系统及其介导的DMSP循环的独特生态后果。我们的具体目标是：（1）描述在联合压力下海洋微生物群落的多样性和组成变化，以及它们的共现网络结构和关键类群的系统演替；（2）阐明共存对DMSP浓度动态的影响，并揭示这些动态与关键微生物类群反应之间的联系；（3）通过分析关键功能基因丰度的变化，揭示并提出解释DMSP循环失调的分子机制。

实验设计

从中国山东青岛（120.32°E，36.05°N）采集了表层海水（0-1米深度）。首先通过200 μm尼龙筛网过滤海水，以去除大型浮游动物、大型藻类和较大碎片。随后，将22升过滤后的海水加入每个预先清洗过的玻璃罐中。

实验中使用的纳米塑料浓度（10和100 μg/L）是根据区域环境相关性确定的，与之前的现场甲板培养实验结果一致

生物量动态的差异生态反应

为了区分联合压力源与单一污染物的生态影响，并评估纳米塑料和OFL之间的潜在相互作用，我们使用流式细胞术监测了所有单一和联合处理下的绝对细胞密度随时间的变化（图1）。

在细菌浮游生物群落中（图1A），所有处理在早期阶段都抑制了细菌的丰度。然而，从第11天开始出现了明显的恢复潜力差异。OFLH处理

毒性加剧：从生态释放到系统崩溃

纳米塑料和OFL的联合暴露对海洋浮游生态系统产生了明显更强的整体影响，改变了群落的响应轨迹。如我们的生物量动态（图1）所示，虽然OFLH处理引发了明显的后期生物量爆发，但在H-T组中，联合暴露大大减弱了这种恢复潜力。在H-T组中，细菌丰度仅在后期有所增加，而微真核生物的生物量受到强烈抑制

结论

本研究证实，纳米塑料和氧氟沙星的共存对海洋浮游生态系统造成了系统性的损害，其影响超过了单一压力源的影响。与单一抗生素处理下的群落恢复情况不同，联合暴露使生态系统进入了恢复能力受损的状态，其特征是微真核生物量的持续抑制和关键生态功能的丧失。

局限性

尽管本研究提供了某些机制上的见解，但仍需承认几个局限性。首先，虽然DMSP是气候活性气体二甲基硫（DMS）的主要前体，但我们并未直接测量DMS浓度或海气通量。这限制了我们确定联合暴露对全球气候调节净影响的准确性。其次，虽然19天的微宇宙实验时间适合进行受控的机制探索，但它对

作者贡献声明

严金科：撰写 – 审稿与编辑。江勇：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、概念化。刘倩：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、数据管理。江宇柔：撰写 – 初稿、可视化、软件应用、形式分析。万继远：撰写 – 审稿与编辑。舒旺新：撰写 – 审稿与编辑

未引用的参考文献

Coyte等人，2015a；Deng等人，2012；Shi等人，2016；Walters等人，2015。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC；资助编号42276156和42476136）、崂山实验室创新项目（资助编号LSKJ202203205）、CPSF博士后奖学金计划（资助编号GZC20240929）以及中国博士后科学基金（资助编号2024M751798）的支持。我们衷心感谢中国海洋大学进化与海洋生物多样性研究所提供的计算资源支持