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城市環(huán)境研究所在河口塑料污染對氮循環(huán)影響研究方面取得新進(jìn)展
塑料污染已成為全球范圍內(nèi)亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題。近年來，隨著大量塑料垃圾進(jìn)入海洋，形成了 “塑料際”(plastisphere)，即附著于塑料表面的微生物生物膜。這種新型的人工生態(tài)位對環(huán)境的生物地球化學(xué)循環(huán)影響日益受到關(guān)注，尤其是在氮循環(huán)過程中的作用尚未明確。
針對這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所聯(lián)合西南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，在廈門市河口區(qū)域開展了原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了人工介質(zhì)表面(塑料、玻璃)和自然介質(zhì)表面(木材、石頭)的生物膜及其周圍水體的氮循環(huán)特征。研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用穩(wěn)定同位素15N示蹤技術(shù)和高通量測序(擴(kuò)增子、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組)方法，系統(tǒng)比較了不同介質(zhì)生物膜的氮轉(zhuǎn)化潛力以及附著和游離生長狀態(tài)微生物群落的差異。
研究發(fā)現(xiàn)，盡管塑料表面附著的微生物生物量低于天然材料，但其氮循環(huán)潛力顯著增強(qiáng)。具體表現(xiàn)為塑料生物膜中的硝化、反硝化及N?O產(chǎn)生速率明顯高于天然生物膜和水體，硝化速率提高了2～45倍。這種功能增強(qiáng)與塑料表面特殊的微生物群落結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，其中以硝化細(xì)菌Nitrosomonas和Nitrospira等在塑料生物膜上的高表達(dá)為特征。進(jìn)一步的宏轉(zhuǎn)錄組分析揭示，塑料表面附著的微生物群落具有更活躍的碳水化合物代謝和能量代謝通路，包括糖酵解和戊糖磷酸途徑等，為氮循環(huán)提供了充足的電子和能量供給。此外，與群體感應(yīng)和生物膜形成相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也在塑料生物膜中顯著增強(qiáng)。
該研究從生態(tài)學(xué)、基因組學(xué)及轉(zhuǎn)錄組學(xué)的綜合視角，深入闡明了塑料表面微生物群落在河口生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中的關(guān)鍵作用，提出塑料污染對生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)影響的新認(rèn)識，為評估塑料污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供了重要科學(xué)依據(jù)。
研究成果以Plastic biofilms as hotspots of nitrogen cycling in estuarine ecosystems: Comparative ecological, genomic, and transcriptomic analysis across substrates為題，發(fā)表于Global Change Biology期刊上。中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所黃鑫榕博士生為第一作者，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所楊小茹研究員和西南大學(xué)蘇曉軒教授為共同通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(42021005)和聯(lián)合基金項(xiàng)目(U23A20145)、“一帶一路”國際科學(xué)組織聯(lián)盟(ANSO-PA-2023–18)和寧波市科技頂尖人才項(xiàng)目(No.2021-DST-004)的資助。
塑料生物膜促進(jìn)河口氮循環(huán)
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