東北地理所在黑土微生物介導(dǎo)土壤碳和微塑料碳轉(zhuǎn)化機(jī)制方面取得進(jìn)展
我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)用地膜的使用量高居不下，殘留在土壤中的農(nóng)用地膜經(jīng)一系列環(huán)境因素破碎成塑料纖維、碎片或顆粒等，導(dǎo)致微塑料在土壤中大量積累。微塑料作為一種高碳聚合物，在持續(xù)崩解過程中會改變土壤碳代謝微生物群落功能。
為此，東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組研究人員在前期研究的基礎(chǔ)上(J. Hazard. Mater., 2022. 2023)，繼續(xù)探究傳統(tǒng)(聚乙烯，PE-MP)和生物可降解(聚乳酸-己二酸對苯二甲酸丁二醇酯，BMP)微塑料殘留對黑土及微塑料圈的碳循環(huán)相關(guān)功能微生物及微塑料的酶解特征。
研究表明，微塑料圈的碳循環(huán)微生物群及碳水化合物水解酶(CAZymes)和塑料降解酶(PDZymes)的群落特征與土壤中存在顯著差異，BMP引起的改變比PE-MP更為顯著。微塑料圈顯著富集了大量水解酶和降解酶且促進(jìn)了多重碳降解代謝途徑。相比BMP，PE特異性富集了碳水化合物結(jié)構(gòu)域(CBM)來增加烷烴單加氧酶、蛋白酶等其他酶系對底物的親和性;包括氧化還原酶(AA)和糖基轉(zhuǎn)移酶(GT)以及漆酶和酯酶等在內(nèi)的多種水解酶和降解酶可潛在作用于BMP的分解(圖1)。與BMP相比，PE-MP通過富集Nocardia等物種進(jìn)而潛在促進(jìn)纖維素、半纖維素和幾丁質(zhì)等土壤惰性碳的降解，而BMP顯著提升Bradyrhizobium等物種的豐度更有助于聚羥基脂肪酸(PHA)和淀粉等活性碳的降解(圖2)。同時，BMP還顯著促進(jìn)了乙酸和乙醇型發(fā)酵及還原性三羧酸循環(huán)介導(dǎo)的土壤碳固定過程(圖2)。對高質(zhì)量基因組攜帶的相關(guān)功能基因挖掘發(fā)現(xiàn)，PE-MP和BMP分別需要土壤絲菌和鞘氨醇單胞菌等物種來分泌不同的水解酶和降解酶，將這兩種微塑料高碳聚合物進(jìn)行解聚，最終達(dá)到徹底的分解代謝(圖3)。本研究明確了微塑料圈通過富集碳代謝相關(guān)微生物類群進(jìn)而顯著影響土壤碳循環(huán)功能，生物可降解微塑料對相關(guān)碳功能基因、碳水化合物水解酶和塑料降解酶的影響比聚乙烯微塑料更為廣泛和顯著。研究結(jié)果可為黑土微塑料治理及提升黑土有機(jī)碳固存潛力提供微生物學(xué)理論借鑒。
圖1 微塑料殘留下土壤及微塑料圈的水解酶(a)和降解酶(b)豐度
圖2 微塑料殘留下土壤及微塑料圈的碳代謝路徑的差異
圖3 傳統(tǒng)和生物可降解微塑在土壤中的微生物潛在分解行為
研究成果近期發(fā)表在國際期刊《Chemosphere》(IF: 8.8)和《Applied Soil Ecology》(IF: 4.8)上，農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組副研究員胡曉婧為第一作者，王光華研究員為通訊作者。研究得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2023237)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA28020201)和黑龍江省自然科學(xué)基金重點項目(ZD2022D001)共同資助。
論文信息：
Hu X, Gu H, Sun X, Wang Y, Liu J, Yu Z, Li Y, Jin J, Wang G*. Metagenomic exploration of microbial and enzymatic traits involved in microplastic biodegradation. Chemosphere. 2024. 348.140762.
Hu X, Wang Y, Gu H, Liu J, Liu Z, Li Y, Jin J, Wang G*. Changes in soil microbial functions involved in the carbon cycle response to conventional and biodegradable microplastics. Applied Soil Ecology. 2024. 195. 105269.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.140762
https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2023.105269
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