杨倩、钟音等–ISME J：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排放尚不清楚，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，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士生杨倩在钟音研究员、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。

图1 塑料际和沉积物中硝化微生物相对丰度的时间变化动态

图2 氨氧化菌MAGs与塑料际中EPS成分和海水中NH₄⁺浓度之间的Pearson相关性

研究团队通过室内模拟氨氧化实验进一步明晰了塑料际氨氧化菌群落对硝化过程和N₂O排放的贡献。与沉积物样品相比，定殖39个月的塑料际样品呈现出更高的氨氧化活性和更高的N₂O（2.52 ng N₂O N g⁻¹）的排放，其中Comammox Nitrospira的氨氧化速率为 0.49 µg N g⁻¹ d⁻¹，显著高于氨氧化古菌（0.22 µg N g⁻¹ d⁻¹）和氨氧化细菌（0.04 µg ng⁻¹ d⁻¹），表明Comammox Nitrospira对于塑料际氨氧化过程具有重要贡献。此外，Comammox Nitrospira和氨氧化古菌对N₂O产量的相对贡献分别为17.9% 和21.4%，显著高于氨氧化细菌（图3），表明Comammox Nitrospira和氨氧化古菌很可能会长期影响沿海环境氮循环过程和N₂O的排放。

以上研究发现为深入认识塑料污染对海洋元素生物地球化学循环的影响、全面评估塑料污染的生态风险以及制定相关塑料管理政策提供了重要的基础数据。相关研究成果近期发表于环境科学领域权威期刊《The ISME Journal》上。杨倩为文章第一作者，钟音为通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金（42077285、42377220）、广州市科技计划项目（2024A04J6534）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B0303000007）和海南省重点研发项目（ZDYF2023SHFZ171）等项目的联合资助。

图 3 第39个月塑料际和沉积物中氨氧化菌的氨氧化活性和对N₂O生成的贡献比较

论文信息：Qian Yang （杨倩），Yin Zhong*（钟音），Shi-wei Feng（冯世伟），Ping Wen （文萍），Heli Wang （王贺丽），Junhong Wu （吴骏宏），Sen Yang （杨森），Jie-Liang Liang（梁洁良），Dan Li（李丹），Qiong Yang（杨琼），Nora F. Y. Tam（谭凤仪），Ping’an Peng（彭平安），2024. Temporal enrichment of comammox Nitrospira and Ca. Nitrosocosmicus in a coastal plastisphere. The ISME Journal, 18(1), wrae 186.

论文链接：https://academic.oup.com/ismej/article/18/1/wrae186/7815081