可生物降解微塑料提高土壤微生物群落网络复杂性和生态随机性
本研究通过60天的微宇宙培养试验，探究了传统微塑料（聚乙烯PE、聚苯乙烯PS）和可生物降解微塑料（聚丁二酸丁二醇酯PBS、聚乳酸PLA）对土壤微生物群落的演替模式、共现网络和群落构建机制的影响。研究结果表明，和传统微塑料（0.211-0.220）相比，可生物降解微塑料能够显著提高细菌群落的演替速率（0.317-0.514）；可生物降解微塑料能够提高群落的复杂性，具有更高的网络规模、连接度、平均聚类系数以及更多的关键物种，可生物降解微塑料导致土壤可溶性碳含量的增加是微生物网络复杂性和稳健性提高的潜在因素。研究还发现，在微塑料污染土壤中，微生物群落构建先是以确定性过程同质选择为主导（93-100%），逐渐演变为随机性同质扩散（17.8-73.3%）；随着培养时间的延长，微塑料干扰增加了标准化随机率βNTI值，同样表明随机性过程对群落构建的影响增大。
土壤是微塑料重要的汇，目前微塑料对土壤生态系统的影响正在得到广大研究者的关注。已有的研究表明微塑料会影响土壤密度、持水能力、土壤团聚体的稳定性等，并且会通过干扰土壤微生物的活性进而影响微生物群落组成和结构以及土壤的元素循环。微塑料在土壤中的积累会降低土壤质量、影响作物产量，从而对社会经济发展产生不利影响。可生物降解塑料由于其易生物降解的特性，被认为是传统塑料的理想替代品。然而，在自然条件下可生物降解塑料的完全矿化仍需要较长时间，因此其在环境中同样会产生微塑料。目前，很少有研究关注到传统微塑料和可生物降解微塑料对土壤微生物群落互作和构建机制的影响。因此，本研究选择了两种传统微塑料（PE、PS）和两种可生物降解微塑料（PBS、PLA），探究了不同类型微塑料干扰下细菌群落的演替模式（多样性、演替速率和功能）、共现关系以及群落构建机制的变化。
土壤可溶性有机碳的变化
Figure 1. The contents of soil dissolved organic carbon in different treatments.
和对照组相比，可生物降解微塑料PBS和PLA能够显著增加土壤DOC的含量，而传统微塑料PE和PS对土壤DOC的影响较小，这可能是由于可生物降解微塑料发生了生物降解。
细菌群落组成和多样性
Fig 2. (A) The relative abundance of the main phyla in different treatments. (B) Phylogenetic relationships and distribution of the shared OTUs.
微生物在门水平上丰度较高的主要为放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门和厚壁菌门。可生物降解微塑料增加了变形菌门的相对丰度；可生物降解和传统微塑料均降低了放线菌门的相对丰度，增加了厚壁菌门的相对丰度。使用edgeR识别不同微塑料处理相较于对照组的差异OTUs，结果表明差异OTUs主要属于放线菌门、绿弯菌门和酸杆菌门，微塑料添加会显著富集和抑制这些门的细菌。
Fig 3. Bacterial taxonomic biomarkers among the different microplastic treatments. Heatmap showed the variations in the relative abundances of these biomarker taxa.
为了进一步识别不同处理下存在显著差异的细菌（biomarkers），我们使用随机森林模型对科水平上的细菌群落进行分析。我们挑选出前27种最具有代表性的biomarkers，分别属于放线菌门、绿弯菌门、异常球菌-栖热菌门、厚壁菌门、硝化螺旋菌门等，并且在不同处理组中，它们的丰度存在明显差异。
Fig 4. (A) The principal coordinates analysis (PCoA) of bacterial communities in different treatments. (B) The temporal turnovers of community dissimilarity in different microplastic treatments.
主坐标分析的结果表明微生物群落随时间发生演替变化，并且随着培养时间的延长，不同微塑料处理组之间的群落组成差异逐渐增加。基于Bray-Curtis距离差异随时间变化的线性拟合，我们发现可生物降解微塑料处理土壤中微生物具有更高的演替速率。
土壤微生物群落的潜在功能特征
Figure 5. The principal coordinates analysis (PCoA) of predicted functions and the Adonis test results.
通过与FAPRPTAX和BugBase两个数据库比对进行功能预测，结果发现聚合物类型和培养时间对微生物功能组成和变化具有显著影响。微塑料添加降低了芳香化合物降解和木质素分解等功能群的相对丰度；可生物降解微塑料还会增加氮固定、硝酸盐和硫酸盐还原等功能群的相对丰度，这表明可生物降解微塑料对土壤元素循环具有潜在影响。
微生物共现网络及其特性
Fig 6. The biodegradable (A) and conventional (B) microplastic networks. The different colors represent the network modules, and the size of node represent the degree. (C) The Zi-Pi plot of network nodes. (D) The robustness measured following the random node removal.
可生物降解微塑料增加了微生物共现网络中节点和边的个数；为了识别网络的关键节点，我们计算了模块内连通度（Zi）和模块间连通度（Pi），在传统微塑料添加的土壤微生物中发现了2个模块中心和1个连接结点，而在可生物降解微塑料添加的土壤中发现了6个模块中心，这些节点所代表的微生物在塑造群落网络结构中发挥着重要作用。以上结果均可表明，可生物降解微塑料能够增加网络的复杂性。
Fig. 5. Multiple network properties of microbial co-occurrence networks.
在可生物降解微塑料添加的土壤中观察到了更高的节点度、介数和聚类系数，这些结果同样表明可生物降解微塑料和传统微塑料对土壤微生物网络特征的影响存在差异，并且可生物降解微塑料能够提高土壤微生物网络的复杂程度。
Fig. 6. The bacterial community assembly processes in different treatments. (A), (C), (E), and (G) The values of the weighted beta nearest taxon index (βNTI) for soil bacterial communities. (B), (D), (F), and (H) The relative contribution of deterministic and stochastic assembly processes in different samples.
通过计算βNTI来定量随机性和确定性过程对群落构建的相对贡献，结果发现在试验初期（Day3），微塑料添加组的βNTI值相比于对照组显著降低，且同质选择的贡献增加到93-100%，这表明确定性过程主导微生物群落构建；随着培养时间的延长，在Day60观察到微塑料添加组的βNTI值在-2和2之间，且同质扩散的贡献增大，表明随机性过程对群落构建的主导作用逐渐增大。
本研究能够帮我们更好地认识可生物降解微塑料和传统微塑料干扰下土壤微生物群落的演替模式、互作网络和群落构建过程。相比于传统微塑料，可生物降解微塑料会加快土壤微生物群落的演替速率，并且会提高微生物网络结构的复杂性从而增加微生物群落的稳定性；随着微塑料暴露时间的增加，微生物受到随机性过程的影响逐渐增大，以上结果对我们理解不同类型微塑料的土壤生态效应具有重要指导意义。
来源：汪杰课题组 农环视界
