WR | 西湖大學鞠峰組揭示微塑料污染對人工濕地菌群與脫氮功能的影響

編輯：楊祥宇 校對：張璐

微（納）塑料，是指粒徑範圍從幾十納米到幾毫米的塑料顆粒、薄膜、碎片、球團以及紡織纖維，其分散於環境介質中，肉眼往往難以分辨。2004年，發表在Science期刊的文章“Lost at Sea：Where Is All the Plastic？”首次提出了微塑料的概念。2014年，首屆聯合國環境大會上指出，要對環境微（納）塑料進行特別關注。在2015年第二屆聯合國環境大會上，微（納）塑料污染被列入環境與生態科學研究領域的第二大科學問題，成為與全球氣候變化、臭氧耗竭等並列的重大全球環境問題。

人工濕地（Constructed Wetlands）是模擬自然濕地凈水過程的一種污水處理系統，兼具景觀美化功能。微生物是人工濕地的重要組成部分，其中污染物的降解轉化主要由微生物完成。濕地系統被認為是攔截微（納）塑料進入水體的理想屏障——微（納）塑料隨污水進入人工濕地可被攔截在其中，減輕下游水生態系統的污染。但長期累積的微（納）塑料會對人工濕地中的微生物產生怎樣的影響？在微（納）塑料的持續影響下，人工濕地的污水處理功能又是否會發生變化？

日前，西湖大學工學院鞠峰課題組與重慶大學環境學院陳一課題組開展合作研究，利用人工濕地小試裝置模擬濕地凈水系統，聚焦濕地微生物組及系統的脫氮過程，運用高通量測序和網絡分析等分子生態學與生物信息學方法解析了

在濕地系統內，不同粒徑不同濃度的微（納）塑料在累積過程中微生物群落結構的動態變化規律及微生物氮代謝功能的響應。

濕地系統是攔截微納塑料進入水體的理想屏障

人工濕地作為污水處理系統或河岸緩衝區，被認為是防止污染物進入開放水域的一道重要屏障。大量真實存在於各種環境介質中的微（納）塑料，通過污水排放和雨水沖刷不斷彙集到污水系統和地表徑流，最後會流經濕地系統得到攔截和凈化後進入下游水體。重慶大學陳一教授團隊通過前期研究證實，人工濕地具有良好的微塑料（96.7%-99.6%，DOI: 10.1016/j.watres.2022.118430）及納米粒徑顆粒（83.8%-86.6%，DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.121376）攔截能力。

圖1 人工濕地實驗裝置實物與示意圖

鞠峰科研團隊聯合陳一教授團隊在校際合作框架搭建之際，共同開展了對人工濕地系統微（納）塑料累積過程中，氮轉化、微生物群落動態演替和構建模式的響應機制探究工作，以期提升人工濕地在水體微（納）塑料污染控制方面的應用潛力。

微納塑料累積對濕地系統脫氮效能的影響

脫氮是人工濕地重要的凈水過程，主要由硝化和反硝化等功能微生物協同作用去除污水中的氮，以防止水體富營養化。研究團隊發現，短期毫/微米粒徑塑料顆粒累積可促進濕地系統硝化過程，但長期累積會產生負面影響，且影響程度隨塑料顆粒粒徑減小而增強；納米粒徑塑料累積則始終對濕地系統硝化過程具有抑制作用。而對於反硝化過程，毫/微米級塑料顆粒積累表現出促進作用，但納米塑料會抑制反硝化過程，造成（亞）硝酸鹽累積，不過有趣的是這種負面影響會在濕地系統適應後逐步消失。針對上述觀察到的濕地脫氮效能變化，研究團隊進一步對濕地微生物群落的響應機制進行探究。

圖2 人工濕地脫氮效能變化

微納塑料累積對濕地微生物組的影響

通過對300天實驗期間濕地系統微生物的採樣分析發現，微生物群落結構隨着微（納）塑料的積累而發生明顯變化。總體上，微（納）塑料在濕地系統中長期積累可導致微生物豐富度和多樣性下降。塑料粒徑和濃度均會影響對生物膜微生物群落的干擾程度，其中粒徑因素的影響大於濃度因素。

圖3 濕地系統微生物群落多樣性變化

基於對微生物群落的共現網絡分析發現，在從微米到納米尺度的塑料處理條件下，微生物共生模式（特別是物種分離）並非隨機改變，而是受塑料顆粒粒徑和濃度共同調控。微（納）塑料使濕地系統微生物共現網絡模式表現出“小世界”屬性；同時脫氮功能微生物與其他微生物的共現程度增加，即可能互作更為密切，表明濕地系統中脫氮功能微生物在微（納）塑料的干擾下，可能通過相互作用關係的改變適應其生態位變化。

圖4 濕地系統脫氮功能微生物與其他微生物的共現網絡

通過分析濕地系統中細菌群落的動態演替規律，研究團隊發現納米塑料對大部分硝化細菌（如Nitrospira和Nitrosomonas）均表現出顯著抑制作用，但對多數反硝化細菌並無明顯影響；毫米和微米塑料處理組中的大部分硝化細菌（如Nitrospira和Nitrosomonas）和反硝化細菌（如Dechloromonas、Thauera和Zoogloea）丰度在塑料累積後期呈現上升趨勢。

圖5 濕地系統微生物動態演替情況

最後，研究團隊基於微生物群落16S核糖體RNA基因組成對氮代謝過程進行功能預測分析，發現反硝化酶基因（EC 1.7.2.1, EC1.7.2.5, EC1.7.2.4）在微米粒徑塑料處理中得到顯著富集，這再次表明較大粒徑的塑料對反硝化過程可能有促進作用。此外，固氮過程和亞硝酸鹽異化還原為氨過程的關鍵酶基因在納米塑料長期累積影響下丰度均被削減。

圖6 微生物氮代謝功能預測

該研究實驗歷時300天，通過長時間尺度研究對模擬污水處理的工程系統進行了效能及微生物群落響應的全面剖析。研究結果提供了塑料顆粒對人工濕地污水處理效能改變的重要證據，深入揭示了其背後的微生物群落響應機制，為管理和優化微（納）塑料影響下的人工濕地和其他水處理工程系統提供了重要思路。

課題組簡介與招聘信息

環境微生物組學研究環境中全部微生物及其遺傳信息，其方法學基礎與理論拓展應用是國際學術前沿和熱點，關鍵科學問題包括：1）如何全面高效定量識別微生物群落？2）群落如何構建並決定功能? 3）功能如何精準設計與靶向調控？西湖大學環境微生物組與生物技術實驗室（Environmental Microbiome and Biotechnology Laboratory, EMBLab）研究興趣包括：1）環境生物技術與合成微生物組學；2）微生物群落構建機制與功能原理；3）抗生素耐葯組形成機制與風險阻控；4）新污染物（塑料與藥物）的降解轉化機制及健康效應。

實驗室目前招聘博士後 3 名：塑料降解、污廢水資源化、微生物組、病毒組、耐葯組任一方向。科研助理崗位：微藻水處理、微生物學、生物信息學、新污染物、環境DNA方向，歡迎大家與我們聯繫。

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課題組負責人簡介

鞠峰教授

鞠峰，西湖大學研究員、博士生導師，環境微生物組與生物技術實驗室負責人，浙江省海岸帶環境與資源研究重點實驗室副主任。目前擔任中國工程院院刊Engineering、Front Microbiol、Eng Life Sci 等SCI期刊編委，以及Crit Rev Environ Sci Technol、J Environ Sci、Environ Sci Ecotechnol、The Innovation、iMeta等期刊青年編委。曾擔任加拿大自然科學與工程理事會（NSERC）國際評審專家。2015年獲香港大學工學博士學位，2015-2018年在瑞士聯邦水科學與技術研究所 （EAWAG） 從事微生物生態與抗生素耐藥方向博士後研究，2018年至今在西湖大學擔任特聘研究員。曾獲中國工程院院刊 Engineering“編委年度貢獻獎”（2021）、中國生態學會“水雲天微生物生態青年科技創新獎-特等獎”（2018）、香港科學會“青年科學家獎”（2016）、香港大學“傑出研究生獎”（2015）。近三年主持或參與國家級或省部級科研項目 4 項；目前參編中英文專著4本，在ISME J、Adv Sci、Microbiome 、Environ Sci & Technol、Water Res 等知名學術期刊發表論文50餘篇，引用 3800餘次。

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