再登顶级杂志《Journal of Hazardous Materials》，天昊客户利用16S扩增子解析塑料微球对土壤细菌影响

原创上海天昊生物

客户“昊”文章

英文题目：Deciphering the diversity and functions of plastisphere bacterial communities in plastic-mulching croplands of subtropical China

中文题目：中国亚热带地区覆盖农田塑料微球细菌群落的多样性和功能研究

期刊名：Journal of Hazardous Materials

影响因子：10.582 (一区Top)

近期，湖南农业大学资源与环境学院等单位合作，在国际顶级环境科学期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF=10.582，一区Top)上发表最新了研究成果。研究者通过对中国亚热带地区55块地膜农田的土壤和残膜进行分析，探讨了相关细菌群落的多样性和功能，强调了探索农田中塑料残留物的生态和健康风险的必要性。

在本项研究中，天昊生物有幸承担了微生物细菌16S扩增子相对定量测序工作，在恭喜客户取得好成绩的同时，让我们简单看下这篇文章。

塑料薄膜被广泛用于农业生产中，以实现作物的高水分利用效率、高产量、早期收获和改善果实质量等作用。然而中国农田消耗的大部分塑料，在作物收获后没有回收，导致农田中塑料薄膜的积累增加。塑料降解过程中积累的塑料微球和有机化合物等对土壤微生物构成威胁，其对土壤的不利影响因此也备受关注。

本研究利用细菌16S扩增子测序对中国亚热带地区55块地膜农田土壤及进行了分析。试验土壤取样基于五点取样法，在每个取样点的塑料薄膜覆盖区域和周围对照区域内设置长100 cm，宽100 cm的样方，土壤取样深度为0-20 cm，之后将样本干冰运回实验室进行DNA提取及细菌16S扩增子V4-V5区测序。基于检测结果，分析了相关细菌群落的多样性和功能。

研究首先关注了塑料微球细菌群落的α多样性和系统发育多样性情况。根据测定发现，塑料微球细菌群落多样性指数明显低于周围土壤（图1）。因为膜碎片可能对微生物的定殖和生长有不均匀的影响。碎片降解过程中产生的物质，如邻苯二甲酸酯，对微生物有毒，可以部分解释塑料球的细菌α多样性低于周围土壤的原因。

图1、基于observed richness (A)、Chao 1 index (B)、Shannon index (C)、net nearest taxa index (D)、net relatedness index (E)和Faith’s phylogenetic diversity (F)的塑料微球和周围土壤样品之间微生物群落的α多样性和系谱关系比较。

根据NMDS分析、Procrustes分析和Bray–Curtis相似性分析，发现塑料微球土壤样品的细菌群落组成与周围土壤样品显著不同(图2)。这表明薄膜碎片可能提供了一个新的生态位，选择性地容纳来自周围土壤的微生物。

图2、NMDS分析对所有地点塑料微球的群落多样性进行解析(A)。Procrustes分析说明了塑料微球的群落剖面(ASVs水平)和周围土壤样品之间的潜在关系(B)。根据相对丰度数据计算周围土壤和塑料微球样本间的群落组成相似性差异(C)。

通过将ASV与RDP数据库进行比对后，研究者从所有样本中鉴定出了相似的优势菌门。但大多数门的相对丰度在塑料微球和周围土壤之间有显著差异。与周围土壤样品相比，塑料微球样品中富含Proteobacteria、Bacteroidetes、Cyanobacteria和Verrucomicrobia菌门 (图3)。

图3、在门分类水平上塑料微球和周围土壤样品相对丰度之间的显著性差异。

为了表征塑料微球内细菌分类群和周围土壤之间的复杂相互作用，研究者基于ASV矩阵进行了共存网络分析(图4)。与周围土壤样品相比，塑料微球的生态网络节点更多，但相互作用更少。

图4、塑料微球和周围土壤样品中细菌群落的共存网络分析。每个网络的节点基于ASV的门附属关系着色，并根据连接程度确定大小。连接节点的边用绿线表示共存互作，红色表示共生排斥。

接下来，研究者使用基于网络的PICRUSt工具评估细菌群落的功能途径。首先将ASV表格上传到服务器，随后使用PICRUSt进行分析，再利用STAMP进行功能数据的统计分析和可视化。与周围土壤样品相比，塑料微球样品中代谢相关的功能显著丰富。与辅因子、维生素、氨基酸、萜类和聚酮化合物代谢相关的序列更高，包括细菌趋化性、聚糖降解、生物素代谢、脂多糖生物合成、酮体合成和降解等，在塑料球样品中有较多出现使用(图5)。STAMP生成的功能基因热图显示塑料微球和周围土壤之间与碳、氮和磷循环相关的功能基因丰度存在显著差异(图6)。