土壤塑料际胞外聚合物分泌机制：微生物群落与微塑料表面生物膜形成的动态互作

《Microorganisms》：Underlying Mechanisms for Growth Promotion by Low-Concentration Single Salt and Alkali Stresses and Growth Inhibition by Combined Salt-Alkali Stress in Quercus mongolica Fan Huang, Xinrui Wu, Laixue Zou, Te Li and Tongbao Qu

本文系统综述了土壤生态系统中微塑料（MPs）表面形成的“塑料际”（plastisphere）内胞外聚合物（EPS）的动态分泌机制及其调控因素。研究通过多土壤类型与多塑料聚合物的微宇宙实验，解析了EPS组成与特征（如SUVA254、芳香性、HIX、BIX、FI等）随时间的演变规律，并揭示了土壤属性、微塑料类型、细菌/真菌群落等生物与非生物因素如何通过调控微生物群落（特别是细菌）来影响EPS分泌。文章指出，细菌塑料际群落是调控EPS组成的关键核心，而EPS的持续分泌与动态变化是理解塑料际形成、结构稳定及其生态功能（如污染物吸附、抗生素抗性基因富集）的关键环节。

　　

土壤中微塑料（MPs）污染已成为全球性的生态问题，其表面形成的独特微生物栖息地——“塑料际”（plastisphere）受到广泛关注。其中，由微生物分泌的胞外聚合物（EPS）构成了生物膜基质的主体，是支撑塑料际结构稳定和功能发挥的关键。本研究旨在通过土壤微宇宙实验，揭示塑料际EPS的动态分泌过程、组成特征及其驱动机制。

1. 微塑料表面EPS的积累

通过扫描电镜（FESEM）观察，研究发现微塑料表面在30天的培养后即被生物膜覆盖，且EPS厚度随培养时间增加而累积。其中，聚酰胺（PA）微塑料表面积累的EPS最多。溶解性有机碳（DOC）含量分析也证实，EPS在微塑料表面的积累是一个持续过程，PA上的EPS积累速率通常高于聚乳酸（PLA）和聚乙烯（PE）。这表明，塑料类型、培养时间和土壤环境（即定植环境）均会影响微塑料表面EPS的积累。

2. 塑料际EPS组分与特征的动态变化

光谱分析用于揭示EPS的组分与特征。紫外-可见光谱参数SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀（表征芳香性）在培养早期较高，而在后期降低，表明EPS中可能积累了一些类易分解化合物。E₂₅₃/E₂₀₃比值（表征苯环上取代基数量，如羟基、羰基）在整个培养期内总体呈增加趋势，这提示EPS的电子转移能力增强，可能为微生物代谢提供更多电子，促进其定植。与自然土壤溶解性有机质（DOM）相比，塑料际EPS的SUVA₂₅₄、SUVA₂₈₀和E₂₅₃/E₂₀₃值均显著更低，表明其具有更低的芳香性、表观分子量和极性。

通过三维荧光-平行因子（PARAFAC）分析，塑料际EPS被分解为四个主要组分：组分1（C1）为色氨酸类蛋白物质，组分2（C2）为酪氨酸类蛋白物质，组分3（C3）为类富里酸物质，组分4（C4）为类腐殖酸物质。C3和C4在数据库（OpenFluor）中未完全匹配，说明它们是微生物源性EPS与腐殖物质的复杂混合物。这表明塑料际EPS是难分解和易分解有机物的复杂混合体。

荧光指数（HIX、BIX、Freshness、FI）的分析表明，EPS的特征在培养期间持续变化。例如，HIX（表征腐殖化程度）在初期较高，随后呈现先降后升的趋势。BIX和新鲜度指数（与微生物来源EPS含量正相关）则普遍呈现先升后降的趋势。FI（荧光指数）值显示，塑料际EPS是天然DOM和微生物代谢产物的混合物。多元置换方差分析（PERMANOVA）证实，定植环境、培养时间和塑料类型均对EPS组成有显著影响。时间衰减分析进一步表明，EPS组成随时间发生显著变化，PA上EPS的时间周转率最高。

3. 塑料际EPS分泌的驱动因素

层次分割分析表明，细菌塑料际群落是影响EPS组成的最主要因素（贡献率29.30%），其次为真菌群落（18.06%）和土壤属性（15.94%）。在细菌群落中，伯克霍尔德菌目（Burkholderiales）和Chthoniobacterales是影响EPS组成的主要贡献者。真菌群落中，格胞腔菌目（Pleosporales）是主要贡献者。随机森林分析显示，与细菌相比，真菌类群能解释C1和C2的更多变异，而细菌类群在解释C3和C4的变异上更重要。这证实了C3和C4含有大量微生物（特别是细菌）的代谢产物。

Mantel检验发现，EPS组成与土壤DOM组成、SOC（土壤有机碳）、FI、微生物生物量等因子显著相关，再次强调了微生物的关键作用。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析进一步阐明，土壤属性、培养时间、塑料类型等非生物因素主要通过影响塑料际微生物群落（尤其是细菌群落）来间接调控EPS组成。例如，土壤属性的总效应为-0.68，但其主要影响是间接的（通过细菌群落的间接效应为-0.52）。因此，细菌群落处于调控EPS组成的核心枢纽位置。

4. 塑料际EPS组成与影响因子之间的关系

网络分析用于探究微生物OTU与EPS组分间的动态关系。结果显示，与真菌相比，更多的细菌OTU与EPS组分密切相关。常见的细菌EPS生产者（如链霉菌属、马赛菌属等）在C1和C2之间，以及C3和C4之间存在共享，但这两组之间几乎没有共同的EPS生产者，表明它们具有不同的来源。此外，与EPS组分显著相关的微生物OTU数量在培养过程中呈下降趋势，尤其在细菌群落中更为明显。在培养后期，与C3和C4相关的细菌OTU数量显著多于与C1和C2相关的OTU数量，而真菌OTU呈现相反的模式。

5. 土壤塑料际EPS分泌的过程与机制

EPS分泌是一个动态演变的过程，由塑料际的形成与演替所调控。在培养早期，微塑料因其较强的疏水性吸附土壤DOM，促进了先驱物种的定殖，导致HIX值较高，C3+C4的相对丰度较高。随着培养进行，越来越多能够利用DOM或微塑料作为营养的微生物在微塑料表面定殖并分泌EPS，导致HIX下降，BIX和新鲜度指数上升，C3+C4丰度在中期降低。进入后期，微塑料降解产生的低聚物、DOM等衍生物可能产生微生物毒性，淘汰了部分先驱物种，导致与EPS组分（特别是C1和C2）相关的细菌OTU数量显著减少。此时，与C3和C4相关的细菌OTU中，超过50%属于变形菌门和放线菌门，这两类细菌既具有降解MPs的基因，也能产生EPS。因此，这一阶段的新EPS主要来源于MPs降解的胞外酶及其衍生物（含腐殖物质），并伴有因表面变粗糙而吸附的天然土壤DOM，这促使HIX和C3+C4丰度再次升高。而BIX和新鲜度指数的下降，可能与相关微生物OTU总数减少，以及核心微生物类群的MP降解和EPS生产功能在生物膜成熟期被稀释有关。