项目文章 | 第7弹：西南科技大学罗学刚团队再发环境科学与生态学TOP期刊

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2021年8月，西南科技大学罗学刚教授课题组在环境科学与生态学一区Journal of Hazardous Materials期刊发表了题为“Alterations of the rhizosphere soil microbial community composition and metabolite profiles of Zea mays by polyethylene-particles of different molecular weights”的研究成果，通过代谢组学和16S rRNA测序研究，发现不同分子量的PE颗粒可能会对土壤-植物系统产生不利影响：土壤中蔗糖酶和过氧化物酶对不同分子量的PE颗粒有显著响应；根际中微生物数量和微生物α多样性指数随着PE颗粒分子量的增加而增加；植物中PE颗粒处理降低了植物生物量和光合速率，并破坏了正常的矿物质营养代谢。

农用地膜覆盖栽培技术具有升温、保土、保肥、保湿、加速土壤养分转化、抑制杂草生长等优点。农用塑料薄膜通常由聚乙烯（PE）制成，其分子结构稳定，在环境中的降解周期非常长，其长期积累会造成土壤耕层环境恶化，降低土壤通透性和水肥输送效率，影响作物生长和发育。近年来，环境可降解膜被认为是解决白色污染的有效途径之一。这种农用薄膜可以在较短的时间内破碎并降解成低分子量的粉末或颗粒（即微塑料）。然而，PE颗粒仍然具有很强的疏水性，在土壤中极难降解。因此，PE-颗粒对土壤微环境和作物生长的影响值得研究。

土壤中塑料碎片或颗粒的来源、分离、鉴定、迁移和潜在风险已被广泛研究。但目前的研究并未关注微塑料在环境中逐渐解聚形成不同分子量的微塑料的问题。这些不同分子量的微塑料对土壤微环境（如土壤代谢、土壤肥力、微生物群落结构等）和作物生长的影响尚不清楚。

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1. PE颗粒的理化性质分析

如图1A-B所示，PE颗粒尺寸为150-180μm，不同分子量的PE颗粒的微观结构存在差异。低分子量(2079.81)和高分子量(98540.4)PE颗粒是微球（图1B）。FT-IR分析表明，具有不同分子量的PE颗粒在3000-2700 cm^-1和1490-1350  cm^-1处具有C-H伸缩振动区域，这是聚乙烯的典型特征峰（图1C）。热重分析表明，低分子量聚乙烯颗粒的热解温度分别为168°C和320°C；中高分子量PE颗粒的热解温度分别为426°C和432°C（图1D）。

图1 | PE颗粒的扫描电子显微镜(A、B)、傅立叶变换红外光谱(C)和热重分析(D)

2.土壤元素在PE颗粒表面的分布

能谱分析表明，本研究中使用的不同分子量PE颗粒的表面元素分布主要是C和O，原子百分比为97.57~93.52%（图2A、C、E）。盆栽试验后，从根际土壤中分离出PE颗粒进行表面元素分析。结果表明，PE颗粒表面吸附了多种矿物元素和重金属。

低分子量PE颗粒表面Ca、Si和Al的比例分别达到27.09%、3.37%和2.67%（图2B）；中分子量PE颗粒表面N、Si和K的比例分别达到9.71%、0.38%和0.11%（图2D）；高分子量PE颗粒表面的Si、Al和Fe的比例分别达到5.51%、3.59%和2.73%（图2F）。

图2 | 土壤元素在PE颗粒表面吸附特性的能量色散光谱

3.PE颗粒对土壤酶活性的影响

如图3所示，不同分子量的PE颗粒对土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化物酶、酸性磷酸酶、脱氢酶和蛋白酶活性的影响存在显著差异。与对照相比，外源性添加不同分子量的PE颗粒导致土壤蔗糖酶活性显著降低20~31%（图3A）；与对照相比，土壤过氧化物酶活性显著增加了48~92%（图3C）。PE颗粒对土壤脲酶和脱氢酶活性没有显著影响（图3B、E）。与对照相比，高分子量聚乙烯颗粒（0.2%，Mw：100,000）诱导土壤酸性磷酸酶和土壤蛋白酶活性显著降低30%和29%（图3D，F）。

图3 | 不同分子量聚乙烯颗粒对土壤酶活性的影响

4. PE颗粒对玉米生长和光合作用的影响

不同分子量PE颗粒对植物生长的影响见表1。不同组间根系生物量存在显著差异（P<0.05）。PE颗粒的分子量为5000-100,000，根生物量分别减少了26%和37%。土壤中PE颗粒的过度积累显著降低了叶和茎的生物量（表1）。添加具有不同分子量的PE颗粒显著降低了叶片的光合代谢，叶片光合速率和气孔导度降低（图4A、C）。所有三种PE颗粒类型也将叶绿素荧光(Fv/Fm)显著降低了1.6-2.6%（图4E）。与对照相比，暴露于Mw 2000的PE颗粒显著降低了PS II [Y(II)]的有效光子产率、相对光合电子传导率(ETR)和光化学荧光猝灭系数(qP)（图4F、G、I)。非光化学荧光猝灭系数（NPQ）呈上升趋势（图4H）。在处理组之间没有观察到叶绿素a/b含量的显著差异（表1）。不同分子量的PE颗粒对植物生长和光合代谢产生不同程度的干扰。

表1 | PE颗粒对玉米幼苗生长及叶绿素含量的影响

图4 | PE颗粒对玉米光合参数和叶绿素荧光参数的影响

5.PE颗粒对根际土壤和玉米植株元素含量的影响

主成分分析表明，根际土壤元素的聚集位置都响应于不同的PE-颗粒而从对照位置显著偏移，表明不同分子量的PE-颗粒改变了根际土壤的离子代谢。T1和T2处理的Na、K和Ca矿物元素含量显著高于其他组（图5A）。PE颗粒对根、茎和叶矿质营养代谢的影响如图5B-D所示。PCA结果表明，不同PE-颗粒处理中元素含量的簇位置与对照显著分离，表明PE-颗粒干扰了各器官对元素的摄取和转运。热图表明PE颗粒对不同器官中对矿质营养代谢的干扰在根部最显著，其次是茎部，其次是叶部。根中Mg和K的含量显著低于对照，叶片中Mg和P的含量也与对照显著不同（图5B-D）。这些发现表明叶片中涉及镁和磷的代谢通路受到干扰，可能是叶片光合代谢异常的原因之一。

图5 | PE颗粒对玉米根际土壤及不同器官矿质元素代谢的影响

6.PE颗粒对根际土壤代谢谱的影响

GC-MS非靶向代谢组学共鉴定了266种代谢物。PCA分析显示不同处理之间存在显著差异，表明不同分子量的PE颗粒显著干扰了根际土壤代谢谱（图6A）。OPLS-DA模型分析在不同处理中分别鉴定了13个（7个上调；6个下调）、39个（32个上调；7个下调）和26个（3个上调；23个下调）差异代谢物（DEM）（图6B-D)。分子量小于5000的PE颗粒促进碳水化合物相对含量增加，次生代谢物相对含量降低；有机酸和氨基酸在T3处理中被显著抑制（图7A）。

维恩图表明当分子量为2000-5000时，果胶、半乳糖己二醛、乙基β-D-吡喃葡萄糖苷和N-氨基甲酰天冬氨酸的相对含量显著增加。同时，α-生育酚、天冬氨酸和硼酸在所有三种处理中均显著下调（图6H、图7B-D）。KEGG富集分析表明，不同处理下根际土壤中DEMs在12、30、26条代谢通路中显著富集；这些通路主要涉及碳水化合物和氨基酸代谢（图6E-G）。根际土壤中DEM的数量也随着PE颗粒分子量的增加而显著增加。PE颗粒对根际土壤代谢的干扰与其分子量密切相关（图7B-D）。

图6 |  PE颗粒对根际土壤代谢物的影响

图7 | 不同处理间根际土壤差异代谢物分类统计及表达模式分析

7.PE颗粒对根际土壤微生物群落的影响

如图8所示，在土壤根际检测到4335（对照）、4606（T1）、4829（T2）和5109（T3）OTU。在不同分类水平（L2-L7）上表现出显著差异的微生物物种如图8C所示。Beta多样性分析表明，不同处理间的聚类位置显著分离。16S群落结构尤其受到T3处理的干扰，表明不同分子量的PE颗粒显著改变了根际土壤细菌群落结构（图8B）。α多样性分析表明，分子量在5k~100k之间的PE-颗粒（T2和T3处理），chaos指数显著高于对照和T1（P<0.01），表明高分子量PE-颗粒诱导根际土壤微生物OUT显著增加。Shannon和Simpson指数呈上升趋势，表明土壤中的PE颗粒改变了根际微生物群落多样性并诱导了特定微生物种群的富集（图8D）。在纲水平上，Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Bacteroidia的相对丰度都有显著差异（图8 E-F）。基于16S rRNA测序的COG和KEGG功能的预测结果如图9所示。预测的同源蛋白簇（COG）达到4792个，其中2824个COGs表现出显著差异。KEGG功能预测分别显示KEGG L1、L2和L3水平的7、37和241条代谢通路存在显著差异。其中，功能预测相对丰度前三项分别为环境信息处理、代谢和遗传信息处理（KEGG L1）；膜转运、氨基酸代谢和碳水化合物代谢（KEGG L2）；转运蛋白和ABC转运蛋白（KEGG L3）（图9C-E）。

图8 | 不同分子量聚乙烯颗粒对根际土壤微生物群落结构的影响

图9 |  不同分子量聚乙烯颗粒对根际土壤微生物群落结构的影响

8.环境因素与土壤群落结构的相关性分析

环境因素（土壤元素含量和土壤代谢物）与PE颗粒对微生物群落结构改变的关系如图10所示。RDA模型显示RDA1和RDA2轴上特征值的贡献率分别达到46.95%和25.17%。Zn、Ni、Mn、Cu和Fe的含量与微生物群落结构的变化密切相关（图10A）。涉及根际土壤中糖类（三糖、D-塔格糖和1-酮糖）、氨基酸（L-丙氨酸、L-缬氨酸和L-亮氨酸）和有机酸（L-乳酸）的主要代谢产物调节土壤微生物群落结构（图10B）。在属水平上，根瘤菌、硝化螺菌和鞘氨醇单胞菌与土壤矿质养分代谢密切相关。Rhizobacter的相对丰度与K、Ca、Na、Mg、Cu等10种元素显著正相关（P<0.05），是调控根际土壤矿质养分代谢的关键微生物（图10C)。Lysobacter、Polycyclovorans和Rhizobacter与L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-甘氨酸和葡萄糖胺呈显著负相关（P<0.05）；鞘氨醇单胞菌与L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-甘氨酸和其他主要代谢物呈正相关（P<0.05）（图10D）。PE颗粒是改变根际土壤代谢过程和常驻优势微生物的直接诱导因子。不同分子量的PE颗粒对土壤根际微环境的影响不同。

图10 | 根际土壤元素、差异代谢物和微生物群落的RDA/CCA分析（A、B）和相互作用网络分析（C、D）

这项研究的重点是确定不同分子量的PE颗粒干扰玉米生长和根际微环境的机制。本文运用非靶向代谢组学，转录组学等方法研究的结果证实，不同分子量的PE颗粒对土壤-植物系统有不利影响。不同分子量的PE颗粒在形状和表面微观结构上存在明显差异。土壤蔗糖酶和过氧化物酶对不同分子量的PE颗粒有显著响应。在植物系统中，暴露于PE颗粒会降低植物生物量和光合速率，并干扰正常的植物矿物质营养代谢。在根际微环境中，由于不同PE颗粒的理化性质不同，不同分子量的PE颗粒显著改变了土壤元素的含量。PE颗粒的存在诱导了根际细菌、硝化螺菌和鞘氨醇单胞菌的优势，它们是根际矿物元素代谢的调节剂。根际土壤中碳水化合物和氨基酸含量的变化是影响溶菌菌属、多氯食菌属、根际菌属和鞘氨醇单胞菌属物种丰度的关键因素。

本研究结合表型分析、代谢组学和转录组学评估了低、中和高分子量PE颗粒对土壤代谢、微生物群落结构和作物生长的影响，其将组学技术应用于环境及农作物领域的实验思路值得借鉴和参考。其中文章脉络清晰，思路严谨，在基础的理化研究和植物系统研究及根际微环境研究做了大量的工作，将材料学和生物学相结合的研究给环境及农作物领域研究提供了很好的借鉴性~

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文献参考：

Qian Fu et al. Alterations of the rhizosphere soil microbial community composition and metabolite profiles of Zea mays by polyethylene-particles of different molecular weights. J Hazard Mater. 2021 Aug 29;423(Pt A):127062. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127062.

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房角石 撰文

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