第一作者： 刘铭鉴

通讯作者： 刘倩，王军，姜勇

通讯单位： 中国海洋大学

论文DOI： 10.1016/j.jhazmat.2023.132315

图片摘要

成果简介

近日，中国海洋大学海洋生物多样性与进化教育部重点实验室、海洋生命学院姜勇教授、王军教授以及海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室刘倩博士等共同在环境领域TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》发表了题为“The co-presence of polystyrene nanoplastics and ofloxacin demonstrates combined effects on the structure, assembly, and metabolic activities of marine microbial community”（聚苯乙烯纳米塑料和氧氟沙星对海洋微生物群落结构、组装和代谢活动的联合效应）的论文。该研究基于扩增子测序数据，研究了不同浓度聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP）与氧氟沙星（OFL）的联合暴露对海洋原核/真核微生物群落结构、组装和代谢活动的综合影响。结果主要表明：（1）NP和OFL对原核生物群落的影响大于真核生物群落；（2）浮游原核生物和底栖真核生物的生态位宽度随着NP和OFL浓度的升高而缩小；（3）OFL的增加主要减少共现网络的节点/边数量，NP的增加则使网络节点更加集中于少数几个模块；（4）高OFL浓度下NP的增加会诱导浮游群落中产生更多原核差异性代谢通路，而底栖群落受到的影响较小。目前的工作表明，NP和OFL的共存对海洋微生物群落结构变化、生态位宽度缩小、网络结构简单化、以及诱导原核差异性代谢通路方面具有协同效应，以上结果也显示纳米塑料及其与其他污染物的联合效应，应在未来研究中得到更多关注。

引言

塑料因其重量轻、成本低、耐用性和多功能性而被广泛应用于工业制造、商业生产、运输和包装、医疗产品等各个领域。数据显示2021年全球塑料产量将超过3.9亿吨。但由于其降解阻力大、回收效率低，塑料垃圾处理最常见的方式仍为填埋和焚烧，进而造成了陆地、淡水和海洋污染。根据颗粒的大小，塑料被分为若干类。Gigault等人定义纳米塑料（nanoplastics，NP）的尺寸范围为直径1至1000 nm。根据来源，NP可进一步分为初级NP和次级NP，前者多产生于化妆品、个人护理和3D打印产品，而后者通常经由物理、化学和生物过程形成的碎片和降解产生。

塑料颗粒的毒性随着其尺寸的减小而增加。首先，NP体积小，更容易被各种微生物摄取，通过微食物网和经典食物链积累并传递至更高营养级；其次，NP很容易穿透细胞或核膜，诱发氧化应激反应，导致细胞膜破裂和细胞凋亡，改变基因表达，影响酶活性；另外，由于NP的高疏水性和比表面积，NP可以吸附化学污染物或重金属并作为其载体产生更广泛的影响。

近年来，关于NP的毒理研究日益增多。研究显示，NP会导致细菌的生长速度降低，抑制藻类生长和光合作用能力，降低水蚤的生存和繁殖能力。NP的毒性作用还包括对鱼类的炎症引发、氧化应激和结构损伤，以及小鼠胎儿生长迟缓和代谢紊乱。另外，NP与其他污染物的共现会加剧对各种模式生物（细菌、藻类、线虫、甲壳类、软体动物、鱼类等）的不利影响。然而，NP和其他污染物的联合效应，特别是对微生物群落的具体影响，在很大程度上仍然未知。

作为最常见的污染物之一，抗生素已广泛应用于人类和牲畜的疾病治疗及农业领域。尽管研究表明抗生素和微塑料之间存在相互作用并具有潜在的协同效应，但在纳米塑料和抗生素对水生微生物群落的影响方面，人们对此认知仍然非常有限。综上所述，本工作利用氟喹诺酮广谱抗生素氧氟沙星（ofloxacin，OFL）和聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP），研究了二者联合作用对海洋浮游/底栖微生物群落的结构、组装以及原核代谢通路变化的综合影响。

图文导读

实验设计

图1 ：采自青岛栈桥的海水水样，经200 μm过滤后装入清洁后的水箱。每个水箱约40L海水水样，并放入已提前在栈桥放置10天的玻片若干。NP（无表面功能团修饰，直径500 nm，2.5% w/v）与OFL（纯度98%）的混合物如图设置并加入相应水箱。每个时间节点进行水样与玻片生物被膜样品采集、DNA提取、高通量测序。

NP、OFL共现对海洋微生物群落结构的影响

图2 ：A：基于log转换、正态化后的环境数据进行的主成分分析（PCA）；B：基于距离的冗余分析（dbRDA）。NP，纳米塑料；OFL，氧氟沙星；T，水温。

OFL和NP是改变原核群落结构的两个影响因素，并且它们表现出协同效应：它们在dbRDA中基本指向相同方向，加强了处理组（Tank B–E）与对照组（Tank A）的分离。dbRDA的结果表明OFL和NP不会导致真核生物浮游/底栖群落的处理组显著分离，这表明真核生物群落对OFL和NP的不利影响具有更强的抵抗力；水温和营养物质是影响真核群落的主要因素，与之前的研究结果吻合 。

图3 ：原核生物类群（A）、真核生物类群（B）相对丰度与环境变量的Spearman相关性分析。

根据相关性分析结果，OFL与浮游群落中超过三分之一的原核类群呈负相关，表明OFL抑制这些类群的生长和繁殖，而在底栖群落中，随着OFL浓度的增加，几个类群表现出负向趋势，但相关性并不显著，这可能是由于生物膜的保护。

然而，OFL与浮游Gammaproteobacteria和浮游/底栖Campylobacteria呈显著正相关。我们推测这两者可能对OFL具有一定的抗性，而其他原核生物类群的丰度/比例和资源竞争力的下降使得上述两个类群的种群规模增加。与OFL结果类似，NP与浮游/底栖Campylobacteria呈显著正相关，在底栖群落中相关性更强，表明Campylobacteria的生长受益于NP所提供的表面积增加，并且对OFL具有抵抗力。

与原核生物群体相比，OFL对真核生物群体的影响要小得多，这可能是因为真核生物拥有更复杂的结构和细胞器，从而具有更高的环境压力抗性。NP仅与浮游/底栖Mamiellophyceae呈正相关（趋势），即NP的增加有利于Mamiellophyceae的生长。考虑到Mamiellophyceae类群体型较小（通常为0.5–8 μm），因此推测NP的增加可能导致更多的Mamiellophyceae吸附，而Mamiellophyceae/NP聚集体体积的增加降低了其适口性，最终导致被其他生物捕食的概率降低。

图4 ：中性模型（neutral community model）与生态位宽度（niche breadth）。A，B：处理组（Tank B–E）的原核（A）与真核生物（B）预测出现频率。C，D：处理组（Tank B–E）及每个处理间的Levins生态位宽度比较。m，迁移率；N，种群规模；R2，中性模型拟合度。

随机过程分别解释了原核生物浮游和底栖群落变化的65.8％和69.2％，远高于真核浮游/底栖群落，表明随机过程对原核生物群落组装的贡献更大，而确定性过程对真核生物群落组装的影响更大。原核生物浮游/底栖群落的m值（0.0079、0.0107）均高于真核生物（0.0012、0.0049），表明真核生物的扩散程度较低。

随机过程分别解释了原核/真核底栖群落变化的69.2%和7.5%，高于相应的浮游群落，另外原核/真核底栖生物生态位宽度高于浮游群落，两者都表明随机过程对底栖群落组装的贡献更大。原核/真核浮游群落较低的中性模型拟合度及较窄的生态位宽度表明浮游群落组装更容易受到确定性过程的影响。原核/真核底栖群落m值（分别为0.0107和0.0049）高于浮游群落（0.0079和0.0012），表明浮游群落中物种的扩散程度较低。

原核浮游群落生态位宽度：Tank B、C的生态位宽度没有明显变化，但Tank E的生态位宽度较Tank D有所减小，说明低OFL浓度下（Tank B、C）NP增加对生态位宽度的影响并不显着，而高OFL浓度下（Tank D、E），NP会降低生态位宽度。

原核底栖群落生态位宽度：与Tank B相比，Tank D的生态位宽度有所减小，表明底栖原核生物生态位宽度受OFL的影响较大；Tank B vs. C、Tank D vs. E之间没有显著差异，表明NP增加对底栖原核生物生态位宽度影响有限。

真核浮游/底栖群落生态位宽度：真核浮游群落的生态位宽度相当稳定，没有发现OFL或NP引起的明显变化。对于真核底栖群落，只有当OFL和NP浓度同时升高时，生态位宽度才会减小。

图5 ：浮游生物群落共现网络，显示了原核/真核类群和每个处理中丰度最高的五个类群的占比（A）、模块及模块占比（B）。P/N，正相关/负相关边在每个网络中的占比。

共现网络结果显示，OFL的增加（Tank B vs. D、Tank C vs. E）通常会导致网络节点和边数的减少，表明OFL的效果主要在于减少物种丰富度和种间相互作用。NP对网络的影响主要体现在模块层面：在相同的OFL浓度下，当NP增加时（Tank B vs. C；Tank D vs. E），网络模块化程度更加集中（即占比排名前几位的模块，其在网络中的占比进一步提高）。考虑到网络模块能在一定程度上反映环境异质性，并且同一模块中的物种被认为执行相似的生态功能，因此我们推测，网络中的功能多样性随着NP浓度的升高而降低。OFL和NP的共存造成了海洋微生物群落网络的节点/边减少和模块化程度集中，两者协同简化了共现网络的结构。

图7 ：NP浓度升高（Tank B vs. C，或Tank D vs. E）诱导的差异性原核生物通路的相对丰度热图，丰度比（log2转换）柱形图，以及差异通路丰度和环境变量间的Spearman相关性热图。

NP浓度升高诱导的差异性原核生物通路：低/高浓度NP之间的差异通路表明，Tank D和Tank E的浮游样品之间存在最多的差异通路，表明在高OFL下，NP浓度显著影响浮游原核生物中不同通路的表达。这些与NP浓度显著相关的差异通路中，硫化物氧化和硝酸盐还原（反硝化）通路表达量随着NP浓度的升高而减少，表明高NP可能显著抑制硫细菌的代谢活动并降低硝酸盐还原率（导致硝酸盐积累）；而甲基天冬氨酸循环则与NP浓度呈显著正相关，表明某些类群能够通过甲基天冬氨酸循环将聚羟基脂肪酸酯（聚苯乙烯降解的一种中间产物）转化为其他合成中间体。

Tank D和Tank E的底栖样品中，与NP浓度显著正相关的差异通路是“棕榈酸酯生物合成”和“N-乙酰神经氨酸降解”。我们推测，恶劣条件（高浓度OFL、NP）刺激某些菌群利用N-乙酰神经氨酸作为营养源，中间产物乙酰辅酶A进一步被利用形成棕榈酸酯供细菌自身使用。

Tank B和Tank C的浮游样品中，所有四条差异通路（甲苯降解I、II、p-cymene/p-cumate降解）均与NP浓度呈显著正相关。甲苯和p-cymene/p-cumate与聚苯乙烯（PS）的结构和极性相似，因此在聚苯乙烯（PS）回收过程中经常使用它们作为溶剂。在PS热降解中，甲苯和乙苯在没有溶剂的情况下作为副产物出现，但热降解所需温度远高于室温；在PS的酸/碱催化降解中，产生的中间体可以进一步分解为苯乙烯、苯和甲苯等多种产物，可供某些细菌继续降解。此外，甲苯降解基因与p-cymene/p-cumate降解基因位于同一个“代谢岛”中，并且p-cymene/p-cumate降解通路与甲苯降解I通路存在共同部分。在此我们推测NP可能被一些芳香族降解菌群降解，产生的中间体甲苯通过上述通路得到进一步降解。

小结

本工作利用综合方法研究了聚苯乙烯纳米塑料和氧氟沙星对浮游/底栖微生物群落的联合效应。结果表明，NP和OFL的共存对原核生物群落结构和类群丰度有影响，而对真核生物群落影响不显著。NP和OFL的联合效应还包括：（1）缩小了浮游原核生物和底栖真核生物的生态位宽度，（2）通过减少共现网络的节点、边，以及模块化集中，简化了共现网络的组成和生态功能，（3）在高浓度的NP和OFL下，会诱导更多差异化的原核通路，表明它们对原核生物代谢活动产生了影响。这项工作为目前认知有限的聚苯乙烯纳米塑料和氧氟沙星对海洋微生物群落的联合效应提供了新的资料。

作者简介

第一作者： 刘铭鉴 ，中国海洋大学海洋生命学院，科研博士后，研究方向为微生物分子生态学，已在Journal of Hazardous Materials、Science of the Total Environment、Environmental Pollution等期刊以第一作者/通讯作者发表论文16篇。

联系方式：[email protected]

通讯作者： 刘倩 ，中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，博士后。主要从事微型浮游生物的分子生态学、生物海洋学以及海洋生源硫化物的界面化学的研究。在Journal of Hazardous Materials、Science of The Total Environment、Marine Pollution Bulletin等SCI期刊发表论文十余篇 。

联系方式：[email protected]

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