广州地化所研究揭示氨氧化菌在沿海塑料际的长期富集及其对N2O排放的影响

塑料污染是当前海洋（尤其是沿海）环境面临的重要问题。当塑料进入环境后，微生物会在塑料表面迅速定殖，并与微生物分泌的胞外聚合物形成生物膜，称为“塑料际”。塑料际不仅促进有害微生物和毒害污染物在环境中的运输和传播，还会参与元素循环过程，促进一氧化二氮（N2O）等温室气体的排放，对生物地球化学过程和未来气候变化可能产生重要影响。目前研究主要采用野外随机采样或者短期定殖（< 3个月）方法探究塑料际微生物群落演替对元素循环过程的影响。但是，塑料可在环境中留存数十年甚至数百年，塑料际微生物群落结构长期动态变化及其如何影响氮元素循环（如氨氧化过程）和N2O长期排放格局尚不清楚，这对于准确评估塑料污染的生态系统风险和对元素生物地球化学循环影响至关重要。

针对上述问题，国科大博士生、来自中国科学院广州地球化学研究所的杨倩同学在钟音研究员、彭平安研究员的指导下，在塑料污染典型区域红树林湿地潮间带进行了为期39个月的野外定殖实验，通过扩增子测序、宏基因组、定量PCR等多种技术手段，研究了沿海塑料际生物膜微生物群落结构、氮循环功能基因和胞外聚合物的长期变化特征；并开展室内模拟氨氧化实验，探究了塑料际氨氧化微生物对氨氧化过程和N2O的排放的贡献。

研究发现塑料际的硝化细菌Nitrospira 和氨氧化古菌Ca . Nitrosocosmicus随着定殖实验时间发生显著富集，它们相对丰度分别从第3个月的0.3%和0.02%增加到第39个月3.2%和0.7% (图1)。宏基因组分析结果显示氨单加氧酶基因（amoA ）主要来源于Nitrospira 和Ca . Nitrosocosmicus，暗示这两个类群很可能是塑料际中占主导地位的氨氧化微生物。通过宏基因组组装，研究团队共获得2个Comammox Nitrospira （完全氨氧化菌）和2个Ca . Nitrosocosmicus的宏基因组组装基因组（MAGs）。这4个MAGs的相对丰度也随时间的增加而增加，进一步证实了Comammox Nitrospira 和Ca . Nitrosocosmicus在塑料际上发生长期富集的特征。随着塑料在海洋环境中的迁移和传输，塑料际有可能会改变Comammox Nitrospira 和Ca . Nitrosocosmicus在海洋环境中的分布，尤其是目前研究尚未在深海环境中发现完全氨氧化菌的存在。

为了进一步探究影响Comammox Nitrospira 和Ca . Nitrosocosmicus在塑料际上发生长期富集的因素，研究团队对两种氨氧化菌的相对丰度与海水环境因子（pH值、盐度、温度、NH4+、NO3-和溶解氧浓度）、塑料际胞外聚合物含量进行了相关性分析。研究发现Comammox Nitrospira 和Ca . Nitrosocosmicus的相对丰度与塑料际胞外聚合物含量呈正相关，但与海水NH4+浓度呈相关（图2），表明胞外聚合物和海水NH4+浓度可能影响了沿海塑料际氨氧化群落的长期演变。