The Spatiotemporal Successions of Bacterial and Fungal Plastisphere Communities and Their Effects on Microplastic Degradation in Soil Ecosystems

土壤生态系统中细菌和真菌微塑料际群落的时空演替及其对微塑料降解的影响

作者：邓文博 等

合作单位：山西大学黄土高原研究所 邓文博-刘文娟团队

期刊/IF：Environmental Science & Technology（11.3）

发表时间：2025.07.15

组学：16S、ITS

样品类型：土壤

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c06662

1 摘要

塑料际微生物群落的演替和组装过程及其在土壤生态系统中降解微塑料（MPs）的潜力仍不清楚。作者研究了三种类型土壤中三种微塑料上塑料际微生物群落随三个时间阶段的变化情况。在培养过程中观察到塑料际微生物群落组成持续变化，其演替受到定殖环境的显著影响，其次是聚合物类型和培养时间。塑料际微生物群落的组装主要受随机过程支配；然而，确定性对塑料际细菌群落的组装贡献大于真菌群落，表明微塑料对细菌的筛选作用强于对真菌的筛选作用。塑料际中的微生物群落网络比土壤中的网络表现出更低的复杂性和稳定性，以及更低的功能多样性。细菌群落在塑料际微生物网络形成和微塑料降解中发挥的作用大于真菌群落。这些微塑料附着并保留了关键微生物，其有机碳降解能力显著高于土壤微生物，致使微塑料际体成为土壤中有机碳代谢的热点区域。这项研究加深了我们对土壤微塑料际体形成和演替机制的理解。

实验流程图

2 主要结果

2.1 微生物塑料际群落的多样性和组成

图1 土壤塑料际细菌群落分析

塑料际中细菌和真菌群落的多样性和丰富度明显低于（p < 0.05）相应土壤样品中的多样性和丰富度，除了在培养早期（0-30天）某些处理的细菌群落。总体而言，在成熟阶段，微生物塑料际群落的α多样性低于培养早期阶段。在培养期间，三种土壤培养系统中的塑料际彼此明显偏离。此外，培养时间和聚合物类型也对塑料际微生物群落有显著影响。相同土壤类型内细菌塑料际群落的Bray-Curtis距离随着培养时间的增加而减小；然而，真菌塑料际群落没有表现出类似的趋势。

2.2 定殖环境是影响塑料际组成的主要因素

PERMANOVA分析表明，定殖环境（土壤类型）是影响细菌和真菌塑料际群落组成变异的主要因素，其次是聚合物类型（p = 0.001）和培养时间（p = 0.001）。嵌套在定殖环境中的聚合物类型对细菌和真菌组成的影响最大。嵌套在培养时间中的定殖环境对塑料际微生物组成的影响，真菌群落大于细菌群落；然而，嵌套在定殖环境中的培养时间对塑料际微生物组成的影响，细菌群落大于真菌群落，这表明在相同培养时间下真菌群落更容易受定殖环境影响，而在相同定殖环境下细菌群落更容易受培养时间影响。

2.3 土壤微生物塑料际群落的时空变化

图2 细菌和真菌塑料际群落的分类相似性对地理距离（a）和时间差异（b）的响应，细菌群落（c）和真菌群落（d）在土壤和塑料际中的组成异质性

在所有塑料际样品的整个演替过程中，Bratio值始终>0.5，塑料际微生物群落的组成变异主要由物种更替驱动，表明塑料际微生物群落表现出高度的代谢可塑性，这有利于MP表面的定殖。然而，在空间尺度上，真菌塑料际群落的更替率快于细菌塑料际群落，如DDR分析所示。同时，DDR分析进一步证实定殖环境是影响分类学水平上塑料际微生物群落组成变异的主要因素，并且在时间尺度上也存在明显的DDR（p < 0.05）。这些结果表明时空因素在塑造微生物塑料际群落组成变异中起着关键作用。此外，在不同培养阶段，更替对细菌和真菌群落组成变异的贡献是不同的。塑料际微生物的组成异质性明显高于土壤，表明塑料际中的微生物群落更容易受到环境变化的影响。

2.4 塑料际微生物群落的生态集合

图3 土壤中微生物群落的集合

中性模型较好拟合MPs塑料际微生物群落，表明随机性主导组装，但较低R²值（0.377-0.696）显示确定性过程也起重要作用；塑料际微生物m值（0.018-0.126）低于土壤，扩散能力较弱，且真菌扩散限制强于细菌。零模型验证随机过程主导塑料际群落（贡献高于土壤），确定性过程对细菌贡献更大，分化过程对细菌贡献远超真菌，均质化过程对真菌作用更显著；细菌群落β最近分类单元指数（BNTI）变化因MPs和土壤而异，真菌变化小（主要发生在不同培养时间）。此外，塑料际微生物生态位宽度显著低于土壤（PLA细菌除外），易受环境波动影响；其与扩散限制正相关，与均质化过程（含同质选择和均质扩散）分别呈弱负相关（细菌，p>0.05）和显著负相关（真菌，p<0.05）。

2.5 塑料际微生物群的共生网络

图4 聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)和聚酰胺(PA)在不同孵育时间下的塑料际微生物群落共现网络

所有塑料际微生物群落网络的小世界系数（small-world coefficients）均>1，呈现高互联性和效率的小世界特性；其中细菌比真菌更深度参与网络形成，且真菌在塑料际网络中的相对比例低于土壤网络，表明细菌在塑料际网络中起主导作用。塑料际网络的复杂性（节点数、边数、模块数量）低于土壤网络，稳定性（鲁棒性、脆弱性指数）也弱于土壤，但模块化程度更高。塑料际网络中正相关比例>50%且培养期间呈下降趋势，但未识别到模块枢纽和网络枢纽，关键节点更多属于细菌组。门水平上，变形菌门和放线菌门是细菌的关键物种，子囊菌门为真菌的主要关键物种。

2.6 潜在的MP降解类群

图5 微生物群落网络和环境因素，包括整个潜伏期的环境特性和老化指数

通过构建环境因素（环境属性、老化指数）与塑料际微生物的关联网络，探究环境因素对塑料际微生物的影响并筛选潜在MP降解菌，结果显示网络中类群（细菌、真菌）主要与环境因素关联（如细菌组模块1-3），且细菌与MP老化指数关联的成员多于真菌，反之亦然。VPA分析表明细菌在MP降解中作用更关键，塑料际微生物共同解释了86.94%的MP生物降解变异。RDA与Mantel检验显示，细菌门中变形菌门（含伯克霍尔德菌科、黄杆菌科）是核心降解类群，真菌门中子囊菌门（含散囊菌目、肉座菌目）为主要降解类群。Biolog Eco实验表明塑料际微生物碳代谢能力高于土壤，是碳代谢热点，且PA、PLA生物膜碳代谢能力优于PE。此外，塑料际真菌群落中病原真菌显著富集（p<0.05）、共生真菌显著减少（p<0.05）。

3 讨论

首先，土壤塑料际是独特的微生物生态位，其多样性与丰富度显著低于周围土壤，微生物组成受MPs选择性招募主导——寡营养菌（如酸杆菌、疣微菌）丰度低，富营养菌（变形菌、放线菌）更易定殖。演替首要影响因素为定殖环境，其次为聚合物类型与孵育时间；早期孵化阶段招募快速生长菌，后期不适应者被淘汰。

其次，塑料际微生物组装以随机过程为主（零模型与中性模型验证），但真菌因扩散限制更强（m值更低），其随机性贡献高于细菌，可能与菌丝辅助获取养分有关。环境异质性降低随机性，而MPs作为均匀基质增强生态漂移。

第三，分子生态网络显示：正相关主导早期（互惠/合作降解MPs），负相关随孵育增加（资源竞争）；模块数量早期多（迁移模块），成熟期少（模块破碎）；不同聚合物网络复杂性动态各异（PLA先减后增、PA先增后减、PE稳定）；细菌在网络中更关键，但其关键节点与土壤网络重叠少，反映塑料际微生物的重塑特性。 

第四，MPs生物降解方面，PA与PLA因亲水性高、负电荷低吸附更多微生物（生物量更高），且微生物量与MPs老化正相关。潜在降解菌包括伯克氏菌科、黄杆菌科（细菌）及散囊菌目、肉座菌目（真菌），降解依赖微生物协作，关键物种主要支持功能而非直接降解。塑料际是碳代谢热点，但存在病原真菌富集风险（与土壤相比）。

本研究首次在界水平揭示土壤塑料际微生物的时间演替规律，但仍需通过宏基因组/转录组解析完整功能，并结合野外原位研究阐明组装机制及环境波动下的潜在致病风险。