微塑料对烟台沁水河口沉积物微生物群落及氮循环影响的室内模拟研究

	微塑料对烟台沁水河口沉积物微生物群落及氮循环影响的室内模拟研究
	学位论文
学位类型	硕士
导师	赵建民 ; 王清
	2023-05
培养单位	中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称	资源与环境硕士
学位专业	资源与环境
关键词	微塑料河口沉积物微生物群落氮循环宏基因组测序
摘要	河口是河流汇入海洋的枢纽，是陆地和海洋之间的过渡区域。该区域因水流速度减缓，沉积物和营养物质聚集，因此形成了独特的河口生态系统。然而，随着人类活动的增加，河口地区环境质量已经受到了严重影响，其中河口微塑料污染问题也日益受到人们关注。河口微塑料大部分源自地表径流以及河口地区人类活动的直接排放，并且有大量微塑料停留在河口沉积物中。尽管河口沉积物微塑料污染情况已经被广泛报道，但其造成的生态影响仍鲜有研究。本实验采用河口沉积物中常见的聚乙烯（Polyethylene, PP）和聚苯乙烯（Polystyrene, PS）微塑料，采集河口沉积物及原位海水，建立微宇宙室内模拟实验，探究微塑料对河口沉积物微生物群落和以氮循环为主的生物地球化学循环的影响。此外，微塑料添加可能影响沉积物透气性，该指标对微生物群落及氮循环影响较大，因此测定了沉积物的溶氧扩散能力。为避免过多人为操作对微宇宙稳态的干扰，本研究共建立了三个相似的微宇宙系统，分别进行了i）环境因子测定和16S rRNA测序、ii）溶氧扩散能力测定、iii）宏基因组测序。研究结果可为微塑料在河口地区生态风险评估提供一定的数据支撑，并且为海洋微塑料污染管控防治提供科学依据。本研究主要结果如下：（1）为了初步研究微塑料在沉积物中对微生物群落结构的影响以及上覆水中含氮营养盐的动态变化，我们进行了一项为期50天的微宇宙孵育实验，每个微宇宙容积约850 mL，设定两个微塑料浓度（0.3%和3%沉积物湿重），除了原始微塑料处理外，增加了由紫外光老化的微塑料处理，并且对微宇宙上覆水中的含氮营养盐（NH4+、NO2-、NO3-）和N2O含量变化进行了动态测定。孵育结束后，测定沉积物总有机碳、总氮和可溶性有机碳含量，对沉积物中细菌和古菌群落进行了16S rRNA基因测序。结果表明，不同聚合物类型和浓度的微塑料对沉积物相关指标的影响不尽相同；与原始微塑料相比，老化微塑料对沉积物氮周转的影响更加明显。上覆水含氮营养盐测定结果表明，前10天，与对照组相比，高浓度（3%沉积物湿重）PE-MPs和老化PS-MPs处理显著促进反硝化作用（ANOVA, P < 0.05）。高浓度老化PS-MPs在第10天明显增强了N2O的排放，而对照组表现为N2O的消耗。孵育50天后，微塑料处理组中nirK基因丰度整体上呈现出增加的趋势。qPCR分析结果表明，老化PS-MPs处理中的nosZ基因拷贝数约为对照的两倍（P < 0.05）。功能基因预测还显示，细菌群落中反硝化和DNRA相关基因相对丰度明显提高。此外，高浓度老化PS-MPs处理特异性聚集了细菌和古细菌群落，如Sedimenticolaceae、Lentimicrobiaceae、SCGC_AAA011-D5、SG8-5、Lokiarchaeia和Odinarchaeia。（2）为了研究微塑料是否会影响沉积物的透气性，我们进行了一项为期20天的微宇宙孵育实验，依然采用（1）中微宇宙建立方法，设置原始PE-MPs和PS-MPs处理。20天后测定沉积物剖面溶氧扩散能力。结果表明，大部分微塑料处理对溶氧在沉积物中的扩散有促进作用，而高浓度（3%）PE-MPs处理相比其他微塑料处理抑制了溶氧扩散。该结果说明，高浓度的PE-MPs容易使沉积物质地变得更加紧密，原因可能与我们的选用的PE-MPs以及沉积物粒径有关，这种组合可能更易贴合从而导致沉积物质地紧密；此外高浓度PE-MPs可能促进某些微生物的定植，分泌如胞外聚合物之类的物质形成杂聚体，从而阻碍溶氧的扩散。（3）为了进一步研究微塑料对沉积物中微生物群落氮循环功能方面的影响，我们进行了一项为期60天的微宇宙孵育实验，微宇宙的建立较第（1）次采用更大的微宇宙体积（约4 L），微塑料采用原始PE-MPs和PS-MPs。研究结果表明，在低浓度（0.3%）的微塑料影响下，微生物群落组成、代谢通路及功能基因相对丰度也会受到明显影响，并且在高浓度微塑料处理下，这种影响更加显著。对微生物群落组成而言，在科水平上，约70%优势群落受到微塑料添加的显著影响。与对照组相比，高浓度PE-MPs处理促进了除硫单胞菌科（Desulfuromonadaceae）的大量聚集，增幅达130.0%，并且该菌科在所有处理中的相对丰度比例最高。LEfSe分析结果显示，对照组有最多的生物标志物（Biomarker），表明所有微塑料处理均对微生物群落结构组成有较大影响。在可能降解PE和PS塑料的候选菌属中，仅高浓度PE-MPs处理显著聚集了芽孢杆菌（Stenotrophomonas）。基于KEGG数据库，对六大通路所有样本的Unigenes进行NMDS分析结果显示，微塑料处理组均远离CK组，其中高浓度PE-MPs处理相比CK具有最显著的Unigenes差异。六大通路中，匹配到最多Unigenes的是新陈代谢通路（Metabolism），约占62.1%。隶属于新陈代谢通路的所有子通路均受到微塑料添加的显著影响（P < 0.05）。在对氮循环各子通路相关功能基因分析后发现，由于微塑料聚合物类型及浓度不同，各功能基因相对丰度受到的影响也不同。总体来说，微塑料对硝化、DNRA和ANRA代谢过程影响较大，PS-MPs处理对反硝化有一定的促进作用。此外，大部分微塑料处理加速了含氮营养盐的内部周转，而高浓度PE-MPs处理则对该过程有一定的抑制作用。在对降解微塑料相关的酶基因分析中，只有高浓度PE-MPs处理显著提高了脂酶lip基因、酯酶pnbA基因的相对丰度。对环境碳利用相关基因分析发现，微塑料处理对相关酶基因的影响不大（P < 0.05）。综上所述，微塑料（PE-MPs和PS-MPs）改变了河口沉积物微生物群落结构和氮循环过程。微塑料处理会降低沉积物中诸多优势菌群的相对丰度，也会聚集某些优势菌群，并且老化PS-MPs处理表现出与原始PS-MPs处理不同的影响，相比之下老化PE-MPs与原始PE-MPs相比差异较小。微塑料处理（尤其是高浓度PE-MPs微塑料）促进硫还原菌科这一厌氧细菌群落的聚集。总体上，微塑料处理促进了河口沉积物中的氮循环进程，尤其促进了氮循环进程中的硝化、DNRA过程，对反硝化过程的促进作用有限。微塑料处理可能会促进系统内更多的含氮营养盐参与到脱气过程，并且总体上促进温室气体N2O的排放。高浓度PE-MPs的处理还抑制了沉积物的溶氧扩散能力，这可能是该组更显著地影响微生物群落的原因之一。
目录	目录第1章绪论 1 1.1微塑料 1 1.1.1微塑料的来源和分布 1 1.1.2近海和河口微塑料污染 1 1.1.3微塑料降解和老化 2 1.2沉积物氮循环 3 1.2.1氮循环基本过程 3 1.2.2河口硝化、反硝化和DNRA过程 3 1.3研究进展 5 1.4本研究的内容和意义 6 1.5技术路线 7 第2章微塑料对沉积物微生物群落和氮循环的影响—基于16S rRNA基因测序和环境因子测定 8 2.1实验试剂和仪器 8 2.1.1实验试剂 8 2.1.2实验仪器 8 2.2材料准备和实验设计 9 2.2.1河口沉积物获取 9 2.2.2微塑料准备 9 2.2.3实验设计 10 2.3测定指标及方法 11 2.3.1微塑料背景调查 11 2.3.2微塑料老化表征 11 2.3.3上覆水N2O含量 11 2.3.4水样含氮营养盐（NH4+, NO2-, NO3-）含量 12 2.3.5沉积物中TOC和TN含量 12 2.3.6沉积物中DOC含量 12 2.3.7沉积物粒度 12 2.3.8沉积物中总DNA提取 13 2.3.9标准质粒的制作和实时定量PCR 13 2.3.10微生物16S rRNA基因测序 17 2.4数据分析 17 2.5结果 17 2.5.1微塑料性质 17 2.5.2上覆水中氮营养盐的变化 18 2.5.3上覆水中N2O的变化 20 2.5.4沉积物微塑料背景污染和沉积物理化性质 20 2.5.5沉积物氮循环功能基因丰度变化 22 2.5.6沉积物细菌和古菌群落的变化 23 2.5.7细菌群落氮循环相关基因功能预测 30 2.6讨论 32 2.7本章小结 34 第3章微塑料对沉积物微生物群落和氮循环的影响—基于宏基因组测序 35 引言 35 3.1实验设计 35 3.2宏基因组测序及数据处理 36 3.2.1建库测序 36 3.2.2测序数据处理 36 3.3结果 38 3.3.1沉积物剖面DO扩散能力 38 3.3.2宏基因测序微生物群落分析 39 3.3.3基于KEGG数据库的代谢通路分析 46 3.3.4基于KEGG数据库氮循环相关功能单元分析 49 3.3.5基于KEGG数据库氮循环相关功能基因分析 50 3.3.6基于KEGG数据库碳利用相关功能基因分析 54 3.4讨论 54 3.5本章小结 57 第4章结论与展望 58 4.1主要结论 58 4.2本研究的创新点 59 4.3研究不足和展望 59 参考文献 61 致谢 75 作者简介及攻读学位期间发表的学术论文 77
页数	77
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/32040
专题	中国科学院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	学位论文. 微塑料对烟台沁水河口沉积物微生物群落及氮循环影响的室内模拟研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2023.