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摘要
塑料为微生物提供了独特的栖息地——“塑料圈”。然而，目前人们对淡水系统中塑料圈内微生物的演替及其降解塑料的潜力了解甚少。本文研究了塑料圈微生物群落在3种淡水水体中的4个时间段（15、30、45和80天）的变化及其对2种塑料——非生物降解塑料（non-BPs）和生物可降解塑料（BP）的降解能力，包括聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）和聚乳酸+聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PLA+PBAT）。结果表明，塑料的老化程度随塑料圈的微生物演替而增大，且BPs的降解速率高于non-BPs。通过对112个生物膜样品进行高通量测序，发现塑料圈中细菌和真菌的群落结构可能受到塑料类型的影响，并在生物膜演替过程中逐渐趋同。BPs塑料圈比non-BPs塑料圈更快地达到成熟阶段。此外，我们还建立了包括塑料老化指数、环境因子和细菌、真菌的相关生态网络。生态网络显示，BPs可能具有吸引和保留关键微生物的能力，这些微生物显著影响群落组成，从而增加微生物群落降解塑料的能力。
引言
传统化石基的不可生物降解塑料（non-BPs）和可生物降解塑料（BPs）进入到水环境后，会影响水生生物的健康，包括意外吞食、缠结以及持续风化形成更小的塑料碎片。塑料碎片还可以作为载体提供独特的基质来传播潜在的病原体和有害藻类物质。全球海洋和淡水生态系统中的塑料圈对水环境中的碳循环、外源化合物降解和基因交流等生态功能有着重要影响。微生物可以在短时间内通过表面粘附定殖于基质表面，并生长繁殖和成熟，其在塑料上的定殖和生物膜的演替会影响塑料的理化性质。先前的研究表明，即使在实验室条件下，non-BPs的生物降解率也非常低，但BPs正好相反。目前，关于水生生态系统中塑料圈的组成和多样性、塑料理化性质随塑料圈演替的变化及non-BPs和BPs的生物降解性已有部分报道，但在不同淡水条件下，生物膜的形成及其对不同类型塑料（BPs和non-BPs）在生物膜演替过程中特性的影响仍知之甚少。因此，本论文的研究目标是：（1）探究3种淡水系统中（东湖）随着暴露时间的增加，不同类型塑料上细菌和真菌群落组成的动态演替以及微生物间的相互作用；（2）阐明微生物演替过程中塑料圈形成对不同类型塑料性能的影响；（3）揭示不同类型塑料的破碎方式、降解速率和生物降解性以及潜在的降解类群。
主要结果
1.塑料表面的老化表征
SEM图像显示，随着降解的进行，塑料表面逐渐出现孔隙和细小裂纹，尤其是BPs。80天时，BPs共混物已完全破碎无法取样。将塑料的CI指数、O/C比和疏水性（接触角）的计算结果分别拟合为伪一级动力学（图1）。与未暴露的塑料相比，在3个地点，3种塑料的CI指数和O/C比趋势相似，均随暴露时间增加而增加，且BPs共混物比non-BPs增加更快。随着暴露时间的延长，塑料表面接触角减小，亲水性增加，non-BPs在前15天亲水性迅速增加之后趋势变得平缓，而在实验周期内BPs共混物的亲水性均急剧地增加。
图1. 在东湖、玄武湖和秦淮中，不同暴露时间PP、PE和BPs共混物的CI指数（a）、O/C比（b）和接触角（c）的变化。根据老化指数与时间的相关性，拟合了一级动力学。
2. 淡水生态系统中塑料圈的组成和多样性
激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）图像显示（图2），暴露45天时，所有塑料类型表面微生物生物膜发布不均。东湖的生物膜密度较高，呈点状，玄武湖和秦淮河的生物膜呈丝状或条带状，尤其是在non-BPs表面。整个实验过程中，所有塑料圈的丰富度和均匀度都有所增加（图3a），而从45天到80天，Richness和Shannon指数均下降。基于Bray-Curtis相异度，用主坐标分析（PCoA）法分析细菌和真菌群落结构差异（图3b），结果显示，实验过程中3种淡水中的塑料圈均发生了明显的偏离，影响程度为：地点＞时间＞塑料类型。
图2. 东湖（左列）、玄武湖（中列）和秦淮河（右列）中三种塑料上生物膜暴露45天后的合并荧光CLSM图像。绿色和红色分别表示活细胞和死细胞，比例尺为200 μm。
图3. Richness和Shannon指数（a）表示细菌和真菌群落的α多样性，不同小写字母表示显著差异（LSD）。在OTUs水平上计算的Bray-Curtis距离矩阵的微生物群落的PCoA图（b）显示在三个地点的四个培养时间(15、30、45和80天)的β多样性。椭圆形表示每个地点95%置信区间。置换多元方差分析（PERMANOVA）采用地点、时间和塑料类型三个因素进行统计学分析(c)。
3. 塑料圈菌群的网络分析及关键种
随着暴露时间的增加，细菌之间的关系逐渐趋向于共同排斥，尤其是在BPs的塑料圈中。真菌网络主要随时间的增加而趋于正相关。定殖BPs的细菌和真菌群落的网络结构比定殖于non-BPs的网络结构更复杂（图4），表明BPs的塑料圈群落更活跃，并且可能具有更多的潜在功能来作用于周围环境和塑料。变形菌门(Proteobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)是细菌的主要关键种，轮虫是真菌的主要关键种。
图4. 基于non-BPs和BPs以及non-BPs和BPs模块之间的外围节点、模块中心点、连接节点和网络中心点的15、30、45和80天细菌OUTs网络。
4. 环境因子对微生物和潜在烃降解菌的影响
在BPs网络中，微生物组成因模块而异。模块2和模块4在生物降解塑料网络中，微生物组成因模块而异。对于细菌群落，模块2和模块4中仅次于变形菌门（Proteobacteria）的第二大优势类群分别是蓝藻门（Cyanobacteria）和浮霉菌门（Plactomycetes），主要与老化指数相关。拟杆菌门（Bacteroidetes）是模块1和3的主要菌群，主要与环境因素（SS、pH和NH+ 4）相关（图5b）。
图5 基于non-BPs（a）和BPs（b）的塑料圈定殖菌群，构建了整个培养周期的细菌OTUs和环境条件的网络，包括环境因子和老化指数（接触角、O/C比和CI指数）。环境因子包括温度、pH、浊度、溶解氧（DO）、化学需氧量（CODMn）、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）、悬浮物（SS）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH+4）、亚硝酸盐氮（NO-2）和硝酸盐氮（NO-3）。
基于测序分析和文献鉴定的降解塑料碎片上的细菌科目表进行比较，发现在BPs和non-BPs网络中，分别有43.33%和25.00%的细菌关键重合点是潜在的烃降解生物体（表1、2），包括芽孢杆菌目的微小杆菌属（OTU 33）和环丝菌属（OUT 99）、黄单胞菌目的沙胞单胞菌属（OTU 3480）和粘球菌目的Phaselicystis属（OTU 1081）。
总结
不同类型的塑料为淡水生态系统中不同的微生物群落提供了新的基质。塑料类型可能影响塑料圈内细菌和真菌群落结构组成和演替。随着暴露时间的增加，塑料圈逐渐倾向于协同排斥，尤其是定殖在BPs上的微生物群落。同时，在塑料上形成的生物膜对塑料起着至关重要的作用。生物降解需要复杂的微生物群落而不是单一的物种，因此BPs可能具有吸引和聚集关键微生物（芽孢杆菌目、粘球菌目和黄单胞菌目）的能力，并能促使微生物群落更快地达到成熟阶段，在水生态系统中发挥特定的生态功能。未来，需要更多的研究塑料圈及其生态功能，特别是与水生环境中的生物降解塑料的相关的功能。
