重庆大学李宏团队：微塑料促进了细菌定殖并诱导了藻毒素降解

第一作者：何艺欣

通讯作者：李宏、毛羽丰

通讯单位：重庆大学、重庆交通大学

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.128524

图片摘要

成果简介

近日，重庆大学环境与生态学院李宏研究团队联合重庆交通大学河海学院毛羽丰副教授在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Microplastics benefit bacteria colonization and induce microcystin degradation”的研究论文。该研究聚焦水环境中广泛分布的微塑料对微囊藻毒素的环境迁移行为的潜在影响，在实验室条件下的模拟三峡库区支流湍流水利条件，并观察了微塑料表面生物膜的形成过程及其对微囊藻毒素的物理/生物吸附和降解过程。结果表明，微塑料在吸附藻毒素的同时，还可以作为藻毒素降解菌的载体并促进微囊藻毒素的生物吸附和降解。本项目为理解微塑料在水生生态系统中扮演的双重角色（污染物和其他污染物的降解媒介）提供了新的理论支撑。

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微塑料(MPs)可以在吸附水环境中污染物的同时作为生物膜的理想载体。然而，MPs吸附的有毒物质与其表面形成的生物膜之间的相互作用过程仍不清晰。在本研究中，进行了为期37 天的室内模拟实验，以探究聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)对微囊藻毒素(MC-LR)在湍流水体中环境行为的影响。结果表明，PS-MPs的吸附是导致水中MC-LR浓度快速降低的主要过程，随着微生物在PS-MPs上的定殖，附着的生物膜改变了PS-MPs的表面性质，并增强了MC-LR的生物吸附。同时，微囊藻毒素降解菌，如鞘脂单胞菌（Sphingomonadaceae）和嗜甲基菌（Methylophilaceae），能在PS-MPs表面生物膜中定殖生长，并促进MC-LR的生物降解过程，最终导致水中的MC-LR浓度不断降低，在PS-MPs添加组中最大去除率达到35.8%，并且PS-MPs、生物膜和MC-LR之间的相互作用可能在自然水体中普遍存在。

引言

环境中广泛分布的微塑料（MPs）因其较大的比表面积和疏水性使其容易成为多种污染物的载体。已有研究表明，MPs可以吸附各种污染物（如抗生素和杀菌剂）并影响其环境行为。此外，MPs吸附的污染物可被水生生物摄入，从而导致有毒物质沿着物网迁移和生物累积，并进一步增加这些污染物的生态风险。因此，深入理解MPs与污染物之间的相互作用对于理解和预测MPs的生态风险至关重要。微囊藻毒素（MCs）是由蓝藻产生的一种有毒次生代谢产物，能对动物和人类健康构成威胁，MC-LR是分布最广泛的MCs异构体之一。已有研究表明MCs可以通过吸附在MPs上而进入食物网。

湍流是自然水环境中普遍存在的水动力特征，同样能够影响污染物的环境行为。本研究团队之前的研究表明，增加水流速度可以促进有毒污染物在悬浮颗粒物上的吸附，从而降低水相中有毒污染物的浓度。此外，湍流可能还会影响生物膜的形成过程和膜上生物群落组成结构，但目前对生物膜覆盖的MPs和湍流水体中其他污染物质之间的相互作用过程还缺乏深入探究。在本研究中，使用近似均匀湍流模拟(Approximately Homogeneous Turbulence Simulation, AHTS)系统中进行了室内模拟实验，研究了MPs、三峡库区支流水样中微生物和MC-LR在湍流条件下的相互作用，目的在于（1）揭示含PS-MPs的湍流水体中MC-LR浓度的动态变化；（2）观察PS-MPs表面上生物膜的形成过程；（3）阐明生物膜对PS-MPs和MC-LR相互作用中的影响。

图文导读

图1：本研究处理组示意图。a为AHTS的组成示意图，b为5个实验处理组。

图2：不同处理组中MC-LR浓度动态变化。

在37 d的实验期间，不添加PS-MPs但添加NaN₃组（屏蔽微生物影响，AHTS I，对照）中的MC-LR浓度显示出轻微下降(3.3%)，这可能是由MC-LR光解引起的。用NaN₃屏蔽了微生物影响的AHTS III中的MC-LR浓度在第2 d显现出显著的降低，然后MC-LR水平在之后的运行时间中降低不显著。相反，在AHTS Ⅳ、AHTS Ⅱ、AHTS Ⅴ中，MC-LR浓度持续下降，直至第25 d才相对稳定。在第37 d，AHTS Ⅳ、AHTS Ⅱ、AHTS Ⅴ和AHTS Ⅲ中的MC-LR去除率分别为35.8%、28.2%、24.9%和12.6%。

利用共聚焦显微镜对第37 d时期PS-MPs表面生物膜的结构进行了研究（如图3所示）。不同颜色的荧光表明生物膜中存在的不同组分，绿色代表活菌，而红色和蓝色分别表示死菌和多糖，这三者都是PS-MPs表面生物膜的主要组成部分。当实验进行到第37 d时，AHTS Ⅲ的PS-MPs表面仍未观察到活死菌及胞外多糖，这说明在实验初始时添加的NaN3达到了很好的抑菌效果，而AHTS Ⅳ中PS-MPs表面已经出现了明显的由活细胞（绿色）、死细胞（红色）以及胞外多糖（蓝色）构成的微生物膜，并且AHTS Ⅴ中PS-MPs表面这种分布情况更为显著。这两组微生物表面生物膜的构成中活菌的比例都明显大于死菌，并且都有明显的胞外多糖的附着。

图3：第37 d时AHTS Ⅲ、AHTS Ⅳ、AHTS Ⅴ中PS-MPs样品的激光共聚焦图像。

实验结束时，AHTS Ⅳ中PS-MPs表面细菌以Pirellulaceae、Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）、Beijerinckiaceae（拜叶林克氏菌科）、Methylophilaceae（嗜甲基菌科）、Hyphomonadaceae（生丝单胞菌科）为主，分别占7.8%、6.9%、6.5%、5.7%、5.8%，而AHTS Ⅳ中PS-MPs表面细菌的优势种为Lachnospiracea（毛螺旋菌科）、Moraxellaceae（莫拉菌科）、Prevollaceae、Ruminococcaceae（瘤胃菌科）的相对丰度为13.6%、10.1%、11.4%、5.6%（图4）。此外，在AHTS Ⅳ和AHTS Ⅴ中的PS-MPs表面生物膜中都出现了重要的MCs降解菌Sphingomonadaceae（鞘脂单胞菌科）、Methylophilaceae（嗜甲基菌科），因此使得MPs表面生物膜具有了同步降解MCs的能力。

图4：第37 d时AHTS Ⅳ和AHTS Ⅴ中PS-MPs表面细菌丰度直方图。

MC-LR降解产物的分析表明（图5），与初始相比，对照组中MC-LR的离子峰强度并未出现明显变化，AHTS Ⅲ中MC-LR的离子峰强度虽小幅度下降，但两组中均未观察到MC-LR的典型降解产物出现，说明实验过程中添加NaN3的两组均未发生MC-LR生物降解过程。AHTS Ⅱ、AHTS Ⅳ、AHTS Ⅴ的m/z谱图中331.2处均出现了新的离子峰，其离子组成为C9H29O6N7，是MC-LR的典型降解产物Adda离子碎片，证明这三组处理中的MC-LR实验中发生了不同程度的生物降解，其中AHTS Ⅳ中MC-LR降解产物离子强度最强，并且其MC-LR的浓度降低最明显，与之相比AHTS Ⅱ和AHTS Ⅴ中MC-LR峰的降低幅度则较小。

图5：实验前后利用LC/MS进行的MC-LR光谱分析和产物鉴定图：（a）（b）表示AHTS Ⅰ（c）（d）表示AHTS Ⅱ、（e）（f）表示AHTS Ⅲ、（g）（h）表示AHTS Ⅳ、（i）（j）表示AHTS Ⅴ。

小结

本文研究了湍流水体中PS-MPs及其表面生物膜对MC-LR迁移及生物降解的影响。结果表明，PS-MPs对MC-LR具有很强的物理吸附能力，随着PS-MPs表面生物膜的形成，PS-MPs的表面性质发生了改变，从而引发了MC-LR的生物吸附。此外，在PS-MPs表面生物膜中检测到了藻毒素降解菌，这促进了膜上MC-LR生物降解过程。因此，物理吸附、生物吸附和生物降解使水中的MC-LR含量显著降低，且这些联合效应在湍流水体中比在静水中更加明显。本研究揭示了湍流水环境中MPs的污染物载体和污染物降解媒介的双重作用，为理解和评估MPs和污染物的复合生态环境效应提供了新的视角和论据。