WR | 西湖大学鞠峰组揭示微塑料污染对人工湿地菌群与脱氮功能的影响

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编辑：杨祥宇    校对：张璐

微（纳）塑料，是指粒径范围从几十纳米到几毫米的塑料颗粒、薄膜、碎片、球团以及纺织纤维，其分散于环境介质中，肉眼往往难以分辨。2004年，发表在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，首届联合国环境大会上指出，要对环境微（纳）塑料进行特别关注。在2015年第二届联合国环境大会上，微（纳）塑料污染被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题，成为与全球气候变化、臭氧耗竭等并列的重大全球环境问题。

人工湿地（Constructed Wetlands）是模拟自然湿地净水过程的一种污水处理系统，兼具景观美化功能。微生物是人工湿地的重要组成部分，其中污染物的降解转化主要由微生物完成。湿地系统被认为是拦截微（纳）塑料进入水体的理想屏障——微（纳）塑料随污水进入人工湿地可被拦截在其中，减轻下游水生态系统的污染。但长期累积的微（纳）塑料会对人工湿地中的微生物产生怎样的影响？在微（纳）塑料的持续影响下，人工湿地的污水处理功能又是否会发生变化？

日前，西湖大学工学院鞠峰课题组与重庆大学环境学院陈一课题组开展合作研究，利用人工湿地小试装置模拟湿地净水系统，聚焦湿地微生物组及系统的脱氮过程，运用高通量测序和网络分析等分子生态学与生物信息学方法解析了在湿地系统内，不同粒径不同浓度的微（纳）塑料在累积过程中微生物群落结构的动态变化规律及微生物氮代谢功能的响应。此项研究成果于5月19日发表在环境领域国际顶级期刊《Water Research》，第一作者为西湖大学访问学生、重庆大学环境学院博士生杨祥宇和西湖大学张璐博士，通讯作者为西湖大学工学院鞠峰教授和重庆大学环境学院陈一教授。

湿地系统是拦截微纳塑料进入水体的理想屏障

人工湿地作为污水处理系统或河岸缓冲区，被认为是防止污染物进入开放水域的一道重要屏障。大量真实存在于各种环境介质中的微（纳）塑料，通过污水排放和雨水冲刷不断汇集到污水系统和地表径流，最后会流经湿地系统得到拦截和净化后进入下游水体。重庆大学陈一教授团队通过前期研究证实，人工湿地具有良好的微塑料（96.7%-99.6%，DOI: 10.1016/j.watres.2022.118430）及纳米粒径颗粒（83.8%-86.6%，DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.121376）拦截能力。

图1 人工湿地实验装置实物与示意图

鞠峰科研团队联合陈一教授团队在校际合作框架搭建之际，共同开展了对人工湿地系统微（纳）塑料累积过程中，氮转化、微生物群落动态演替和构建模式的响应机制探究工作，以期提升人工湿地在水体微（纳）塑料污染控制方面的应用潜力。

微纳塑料累积对湿地系统脱氮效能的影响

脱氮是人工湿地重要的净水过程，主要由硝化和反硝化等功能微生物协同作用去除污水中的氮，以防止水体富营养化。研究团队发现，短期毫/微米粒径塑料颗粒累积可促进湿地系统硝化过程，但长期累积会产生负面影响，且影响程度随塑料颗粒粒径减小而增强；纳米粒径塑料累积则始终对湿地系统硝化过程具有抑制作用。而对于反硝化过程，毫/微米级塑料颗粒积累表现出促进作用，但纳米塑料会抑制反硝化过程，造成（亚）硝酸盐累积，不过有趣的是这种负面影响会在湿地系统适应后逐步消失。针对上述观察到的湿地脱氮效能变化，研究团队进一步对湿地微生物群落的响应机制进行探究。

图2 人工湿地脱氮效能变化

微纳塑料累积对湿地微生物组的影响

     通过对300天实验期间湿地系统微生物的采样分析发现，微生物群落结构随着微（纳）塑料的积累而发生明显变化。总体上，微（纳）塑料在湿地系统中长期积累可导致微生物丰富度和多样性下降。塑料粒径和浓度均会影响对生物膜微生物群落的干扰程度，其中粒径因素的影响大于浓度因素。

图3 湿地系统微生物群落多样性变化

基于对微生物群落的共现网络分析发现，在从微米到纳米尺度的塑料处理条件下，微生物共生模式（特别是物种分离）并非随机改变，而是受塑料颗粒粒径和浓度共同调控。微（纳）塑料使湿地系统微生物共现网络模式表现出“小世界”属性；同时脱氮功能微生物与其他微生物的共现程度增加，即可能互作更为密切，表明湿地系统中脱氮功能微生物在微（纳）塑料的干扰下，可能通过相互作用关系的改变适应其生态位变化。

图4 湿地系统脱氮功能微生物与其他微生物的共现网络

通过分析湿地系统中细菌群落的动态演替规律，研究团队发现纳米塑料对大部分硝化细菌（如Nitrospira和Nitrosomonas）均表现出显著抑制作用，但对多数反硝化细菌并无明显影响；毫米和微米塑料处理组中的大部分硝化细菌（如Nitrospira和Nitrosomonas）和反硝化细菌（如Dechloromonas、Thauera和Zoogloea）丰度在塑料累积后期呈现上升趋势。

图5 湿地系统微生物动态演替情况

最后，研究团队基于微生物群落16S核糖体RNA基因组成对氮代谢过程进行功能预测分析，发现反硝化酶基因（EC 1.7.2.1, EC1.7.2.5, EC1.7.2.4）在微米粒径塑料处理中得到显著富集，这再次表明较大粒径的塑料对反硝化过程可能有促进作用。此外，固氮过程和亚硝酸盐异化还原为氨过程的关键酶基因在纳米塑料长期累积影响下丰度均被削减。

图6 微生物氮代谢功能预测

该研究实验历时300天，通过长时间尺度研究对模拟污水处理的工程系统进行了效能及微生物群落响应的全面剖析。研究结果提供了塑料颗粒对人工湿地污水处理效能改变的重要证据，深入揭示了其背后的微生物群落响应机制，为管理和优化微（纳）塑料影响下的人工湿地和其他水处理工程系统提供了重要思路。

课题组简介与招聘信息

环境微生物组学研究环境中全部微生物及其遗传信息，其方法学基础与理论拓展应用是国际学术前沿和热点，关键科学问题包括：1）如何全面高效定量识别微生物群落？2）群落如何构建并决定功能? 3）功能如何精准设计与靶向调控？西湖大学环境微生物组与生物技术实验室（Environmental Microbiome and Biotechnology Laboratory, EMBLab）研究兴趣包括：1）环境生物技术与合成微生物组学；2）微生物群落构建机制与功能原理；3）抗生素耐药组形成机制与风险阻控；4）新污染物（塑料与药物）的降解转化机制及健康效应。

实验室目前招聘博士后 3 名：塑料降解、污废水资源化、微生物组、病毒组、耐药组任一方向。科研助理岗位：微藻水处理、微生物学、生物信息学、新污染物、环境DNA方向，欢迎大家与我们联系。

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课题组负责人简介

鞠峰教授

鞠峰，西湖大学研究员、博士生导师，环境微生物组与生物技术实验室负责人，浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室副主任。目前担任中国工程院院刊Engineering、Front Microbiol、Eng Life Sci 等SCI期刊编委，以及Crit Rev Environ Sci Technol、J Environ Sci、Environ Sci Ecotechnol、The Innovation、iMeta等期刊青年编委。曾担任加拿大自然科学与工程理事会（NSERC）国际评审专家。2015年获香港大学工学博士学位，2015-2018年在瑞士联邦水科学与技术研究所 （EAWAG） 从事微生物生态与抗生素耐药方向博士后研究，2018年至今在西湖大学担任特聘研究员。曾获中国工程院院刊 Engineering“编委年度贡献奖”（2021）、中国生态学会“水云天微生物生态青年科技创新奖-特等奖”（2018）、香港科学会“青年科学家奖”（2016）、香港大学“杰出研究生奖”（2015）。近三年主持或参与国家级或省部级科研项目 4 项；目前参编中英文专著4本，在ISME J、Adv Sci、Microbiome 、Environ Sci & Technol、Water Res 等知名学术期刊发表论文50余篇，引用 3800余次。

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