2025-05-20
文章信息
標題：Microbial decomposition of biodegradable plastics on the deep-sea floor
期刊：nature communications （IF 14.7）
時間：2024年1月26日
組學：16S rRNA基因擴增子測(ce)序，宏基因組測(ce)序
摘要
微生物能夠在陸地、河流和海岸上分解可生物降解的塑料。然而，目(mu)前尚(shang)不清楚深海中的微生物(wu)能(neng)否在海底極端的環境條件下分解(jie)此(ci)類(lei)可生物(wu)降解(jie)塑料。在此，研究人員發表了在從 757 米到 5552 米不等的深海海底不同地點對代表性可生物降解塑料（PHA、可降解聚酯及多糖酯衍生物）進行的微生物分解實驗結果。研究人員根據重量損失、材料厚度的減少以及表面形態的變化來評估樣本的降解情況。聚（L-乳酸）在岸上和深海地點均未發生降解，而其他可生物降解的聚酯、聚羥基脂肪酸酯和多糖酯則發生了降解。降解速度隨著水深的增加而減緩。我們通過 16S rRNA 擴增子測序和宏基因組學分析了與塑料相關的微生物群落。一些優勢微生物攜帶可能編碼塑料降解酶（如聚羥基脂肪酸酯解聚酶和角質酶/聚酯酶）的基因。對可用的宏基因組數據集的分析表明，這些微生物存在于其他深海地點。我們的研究結果證實，生物(wu)可降解塑(su)料能(neng)夠在深海海底受到(dao)微生物(wu)的(de)作用而發生降解，不過其(qi)降解效率(lv)遠低于在近海環境(jing)中(zhong)的(de)情(qing)況。
總結
本研究(jiu)通過在深(shen)海(hai)放(fang)置(zhi)可生(sheng)物降解(jie)(jie)的(de)塑(su)料樣(yang)品(pin)，觀(guan)察其在不同(tong)深(shen)度(du)和時間下(xia)的(de)降解(jie)(jie)情況。研究(jiu)發(fa)現(xian)深(shen)海(hai)環境下(xia)大部分可生(sheng)物降解(jie)(jie)的(de)塑(su)料發(fa)生(sheng)了降解(jie)(jie)，但降解(jie)(jie)速度(du)隨水深(shen)的(de)增加而減(jian)慢。
利(li)用掃描(miao)電鏡和(he)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)組(zu)學方法，研究(jiu)了(le)深海(hai)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)降(jiang)解塑(su)(su)料的機制和(he)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)群落，發現一些優勢(shi)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)可能攜帶(dai)塑(su)(su)料降(jiang)解酶的基因，并且這(zhe)樣的微(wei)(wei)生物(wu)(wu)也存在于其他深海(hai)區域。
前 言
每年，全球約有 4 億噸塑料被生產出來，并用于各種工業和消費領域，以滿足現代生活的便利需求。塑料制品在使用后應被收集并進行回收利用；然而，據報道，每年有 800 萬噸塑料廢棄物通過河流進入海洋環境。一旦釋放，塑料(liao)碎片因其(qi)耐用且抗酶的(de)化學成分而被(bei)認為會(hui)在海洋環境中停留(liu)數百年甚至更久。使用可生(sheng)物(wu)降(jiang)解(jie)塑料(liao)是減少深海海底塑料(liao)廢棄物(wu)增多的一種(zhong)方法(fa)。然而，關于生(sheng)活在極端溫度和(he)壓力條件下的深海細菌對(dui)常見的可生(sheng)物(wu)降(jiang)解(jie)塑料(liao)碎片在生(sheng)態時間尺(chi)度上的降(jiang)解(jie)能力卻(que)知之甚少。
本項研(yan)究通過在太平洋的五(wu)個深(shen)海地點(dian)(dian)進(jin)行短期和(he)長期生(sheng)物降(jiang)解測試來填補這一空白，樣點(dian)(dian)設置(zhi)覆蓋從(cong)淺海岸帶(dai)到深(shen)海熱液和(he)普通深(shen)海平原的多(duo)種(zhong)生(sheng)態位(覆蓋757 m – 5552 m水深(shen)范圍)，使(shi)得本研(yan)究能夠(gou)系統(tong)評估(gu)水深(shen)梯度和(he)環(huan)境(jing)類型對可降(jiang)解塑(su)料微(wei)生(sheng)物降(jiang)解性能的影響。表1給出了(le)放置(zhi)樣品的詳細地點(dian)(dian)信息。
表1｜實(shi)驗(yan)地點信(xin)息總覽
結果和討(tao)論
深海海床上的生物降(jiang)解
圖(tu)1 展示了(le)樣(yang)本部署情況(kuang)。注射成型(xing)和薄膜塑料樣(yang)品分別放(fang)在定制的(de)(de)樣(yang)品容器(qi)中，并將其放(fang)在深海(hai)海(hai)床上，以防止物理原因的(de)(de)變(bian)形(xing)。放(fang)置(zhi)樣(yang)本的(de)(de)同時，進行了(le)樣(yang)本下方用于微生物組學(xue)分析的(de)(de)沉(chen)積物樣(yang)本采集。表2展示了(le)實驗用塑料縮寫和性質(zhi)信息。
圖1｜深海海底樣本部署情況(kuang)
表2｜實驗用塑料信息總(zong)覽
圖(tu)2和(he)圖(tu)3分(fen)別展示了注射成型的塊狀塑料和(he)薄膜塑料樣(yang)本(ben)形態信息(xi)，其降(jiang)解被認為是微生物(wu)降(jiang)解，而不是物(wu)理變形。
圖2｜PHBH的注射(she)成(cheng)型塊狀樣(yang)本(ben)和薄膜樣(yang)本(ben)生(sheng)物降解
圖3｜塑(su)料在各種深海區域的重量(liang)生物(wu)降解(jie)速率和塑(su)料膜的降解(jie)過程(cheng)
圖(tu)4｜塑(su)料(liao)在各(ge)種深海區域的(de)重量生物(wu)降解速率和(he)塑(su)料(liao)膜的(de)降解過程
塑料際微生物(wu)群(qun)落分析
塑(su)料際被定義為(wei)海洋中塑(su)料碎片表面形(xing)成的(de)微生物(wu)(wu)群落(luo)。可生物(wu)(wu)降(jiang)(jiang)解(jie)的(de)聚酯上存(cun)在的(de)微生物(wu)(wu)的(de)多樣性(xing)指數隨海深度降(jiang)(jiang)低，同時生物(wu)(wu)降(jiang)(jiang)解(jie)速率也降(jiang)(jiang)低。
投放(fang)了幾個月的樣本生物膜樣本上主(zhu)要(yao)為好氧微(wei)生物Gammaproteobacteria和Alphaproteobacteria。在PJM和BHT處(chu)1年后，主(zhu)要(yao)的微(wei)生物主(zhu)要(yao)是厭氧性deltaproteobacteria。這種變化可能反映了樣本已經開始埋在沉積(ji)物中的事實。
利(li)用宏基(ji)因組(zu)學分析了BHT塑(su)料(liao)際海水和(he)沉(chen)積(ji)物(wu)(wu)。并將(jiang)其與(yu)在(zai)同(tong)一位置浸(jin)泡 4 個(ge)月(yue)和(he) 14 個(ge)月(yue)塑(su)料(liao)表面(mian)附著的(de)(de)(de)微生(sheng)物(wu)(wu)群落(luo)(luo)進行了對(dui)比。 結果顯(xian)示(shi)(shi)，浸(jin)泡 14 個(ge)月(yue)后(hou)的(de)(de)(de)塑(su)料(liao)表面(mian)微生(sheng)物(wu)(wu)群落(luo)(luo)組(zu)成已更趨近(jin)于沉(chen)積(ji)物(wu)(wu)（1–5 cm）中(zhong)的(de)(de)(de)群落(luo)(luo)，而與(yu)深(shen)海水體(ti)群落(luo)(luo)仍(reng)保持顯(xian)著差異(yi)。由(you)此可見，長時間(jian)(jian)浸(jin)泡過程(cheng)中(zhong)，沉(chen)積(ji)物(wu)(wu)對(dui)樣品艙的(de)(de)(de)覆蓋促進了厭氧菌（如deltaproteobacteria、“Candidatus Reidiella”等(deng)）從沉(chen)積(ji)層向塑(su)料(liao)表面(mian)定植并增殖。NMDS結果進一步揭示(shi)(shi)：地理位置是塑(su)料(liao)圈微生(sheng)物(wu)(wu)組(zu)成的(de)(de)(de)首要決定因素，其次是浸(jin)泡時間(jian)(jian)（即由(you)需氧向厭氧環境的(de)(de)(de)轉(zhuan)變）和(he)塑(su)料(liao)類別。
圖5｜基于16S rRNA基因擴增子測序，在三個具(ju)有不同深度的塑料上的微生物群落的多樣性(xing)
圖6｜在(zai)深海(hai)中PHA和可生(sheng)物降(jiang)解的聚(ju)酯上建立(li)的塑料(liao)中的主要微生(sheng)物的基因(yin)組(zu)信息(xi)和全(quan)球分布
宏基因組分析(xi)確(que)定(ding)潛在的降解(jie)微生(sheng)物(wu)
在(zai)(zai)基(ji)于基(ji)因組(zu)(zu)宏(hong)基(ji)因組(zu)(zu)學(xue)的分析中(zhong)，研究團隊從附著在(zai)(zai)可降解塑(su)(su)料表面的微生物群(qun)落中(zhong)重(zhong)建出17個高質量(liang)的宏(hong)基(ji)因組(zu)(zu)裝配(pei)體（MAGs），并通(tong)過16S rRNA擴增子測序將它們(men)與(yu)高豐度ASVs進行(xing)對(dui)應確認。加權典范對(dui)應分析（wCCA）顯示(shi)，在(zai)(zai)需氧(yang)條件(jian)下，Colwellia、Agarilytica和Micavibrio三大(da)屬與(yu)PHA塑(su)(su)料圈顯著相(xiang)關；而在(zai)(zai)厭(yan)氧(yang)條件(jian)下，歸屬為QZLD01（“Candidatus Reidiella”）的菌群(qun)則與(yu)PHA塑(su)(su)料圈高度關聯。
功(gong)能基(ji)(ji)因(yin)層面(mian)，多數MAGs中(zhong)(zhong)(zhong)都鑒定到了大量可分泌的PHA水解(jie)酶基(ji)(ji)因(yin)。總(zong)體而(er)言，宏基(ji)(ji)因(yin)組(zu)與群(qun)落(luo)分析(xi)共同支持：在(zai)深海塑料(liao)圈(quan)上富集的優(you)勢菌群(qun)普遍攜帶用于聚酯降(jiang)解(jie)的關鍵酶基(ji)(ji)因(yin)，且本研究中(zhong)(zhong)(zhong)觀察到的塑料(liao)降(jiang)解(jie)現象確(que)實(shi)由這些(xie)(xie)菌株和它們分泌的酶學活性所驅動。下(xia)一(yi)步(bu)，需要(yao)從這些(xie)(xie)候選MAGs所代表的菌群(qun)中(zhong)(zhong)(zhong)分離出活菌，并純化其分泌酶，以進一(yi)步(bu)驗證其降(jiang)解(jie)功(gong)能并優(you)化可降(jiang)解(jie)塑料(liao)的設計與應用。
潛在的(de)(de)海洋塑料微生物的(de)(de)全球分(fen)布
研(yan)究旨在(zai)考慮區(qu)域(yu)差異，將本研(yan)究結果推(tui)(tui)廣至(zhi)全(quan)球海洋：利用從 MAGs 中in silico 獲得的(de)(de)(de)(de)全(quan)長 rRNA 基(ji)因擴(kuo)增(zeng)子序(xu)列(lie)作為參考數據(ju)集，與(yu)公開(kai)可(ke)獲取的(de)(de)(de)(de)海洋沉(chen)積(ji)物(wu)數據(ju)進行比對。結果顯示，與(yu)需氧條件下 PHA 生物(wu)降解(jie)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de) Colwellia 廣泛分布于世界各地的(de)(de)(de)(de)海洋沉(chen)積(ji)物(wu)中；同(tong)樣，與(yu) PHA 降解(jie)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de) Agarilytica 及(ji)與(yu)可(ke)降解(jie)聚酯(zhi)降解(jie)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de) Hyphomonas，也(ye)(ye)在(zai)全(quan)球多個深海區(qu)域(yu)的(de)(de)(de)(de)沉(chen)積(ji)物(wu)及(ji)塑料(liao)“塑料(liao)際”中相(xiang)對普遍地被(bei)檢出(chu)。基(ji)于這些微(wei)生物(wu)群落的(de)(de)(de)(de)存在(zai)，我們(men)推(tui)(tui)測本研(yan)究中考察的(de)(de)(de)(de) PHA 及(ji)其他可(ke)降解(jie)聚酯(zhi)，也(ye)(ye)有望在(zai)世界各大洋不(bu)同(tong)海區(qu)中發生類似的(de)(de)(de)(de)生物(wu)降解(jie)過程。
