酸性农田土壤微塑料污染的微生物生态效应

【摘要】：近年来,微塑料(MPs)已成为全球环境问题,农田土壤被认为是微塑料的主要汇集地,但微塑料对土壤微生物多样性和生态系统功能的影响仍基本未知。同时由于农田土壤中施用有机肥导致抗生素污染后,与微塑料复合对土壤生态的影响也未见报道。本论文以红壤母质发育的酸性水稻土为供试土壤,通过人工气候箱的土壤培养试验,利用高通量测序和实时定量PCR技术,开展了微塑料对土壤酶活性、微生物群落结构和土壤氮素形态变化的影响研究,包括以下几个方面:一、利用高浓度(1%和5%)常见类型微塑料(聚乙烯和聚氯乙烯)开展暴露培养试验,研究微塑料对土壤酶活性(脲酶、酸性磷酸酶和荧光素二乙酸酯酶)和细菌群落结构多样性的影响;二、研究土壤中微塑料添加对土壤氮总量及其形态变化的影响,并结合氮功能基因相关微生物群落组成的变化探讨其微生物学机制;三、研究低浓度(0.05%和0.5%)条件下低密度聚乙烯微塑料与抗生素(磺胺甲恶唑和四环素)复合污染对抗性基因和氮素转化功能基因丰度的影响。论文主要结论如下:(1)在酸性农田土壤中微塑料污染可以改变土壤酶活性和细菌群落结构,同时筛选反映土壤微生物效应的敏感指标。1%和5%的聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)均提高了脲酶和酸性磷酸酶的活性,但抑制了荧光素二乙酸酯酶的活性,且5%的PVC暴露量急剧降低了荧光素二乙酸酯酶的活性。土壤中微塑料暴露使细菌群落的α多样性下降,对细菌群落结构的变化影响与微塑料的类型和添加剂量有关。PVC5和PE的处理显著增加了β-变形菌目(Betaproteobacteriales)和假单胞菌目(Pseudomonadales)的相对丰度,而PVC1的处理中这两个菌目的相对丰度略有降低。氮循环和污染物降解相关的的细菌群落,如伯克氏菌科(Burkholderiaceae),黄单胞菌科(Xanthobacteraceae)和假单胞菌科(Pseudomonadales)对微塑料污染较为敏感。(2)PVC和PE微塑料添加处理显著(p0.05)增加了土壤硝态氮含量,降低土壤铵态氮含量和p H,增强了土壤的硝化作用,且在第29天培养结束时,土壤硝化率显著(p0.05)增加。通过高通量测序,发现供试土壤中亚硝化螺菌属(Nitrosospira)是主要的硝化细菌(AOB)菌属,相对丰度均占99%以上。培养29天后,微塑料处理土壤中亚硝化螺菌属的相对丰度显著(p0.05)上升。同时,微塑料处理也显著增加nir K型反硝化细菌群落的丰富度,根瘤菌属(Rhizobium)、苍白杆菌属(Ochrobactrum)和苜蓿中华根瘤菌属(Achromobacter)的相对丰度显著上升。但微塑料处理抑制了含nif H功能基因的固氮微生物根瘤菌目(Rhizobiales)和弗兰克氏菌目(Frankiales)相对丰度,但增加了固氮细菌固氮螺菌属(Azospirillum)和克氏菌属(Klebsiella)相对丰度。聚乙烯和聚氯乙烯微塑料添加通过改变功能细菌群落结构,从而影响氮素形态。添加量达到5%时,氮素形态和微生物群落结构的变化最大。(3)土壤中抗生素的降解主要受微生物降解主导,添加0.05%和0.5%的PE微塑料处理对土壤抗生素的微生物降解没有显著影响。添加0.05%的PE微塑料显著(p0.05)降低了供试土壤中氮循环相关功能基因和抗性基因的丰度。氨氧化功能基因(AOB)丰度的降低可能影响了土壤铵态氮氧化为亚硝态氮,从而影响亚硝化还原菌的生长,使微塑料处理土壤中亚硝化功能基因(nir K和nir S)丰度与对照相比,显著下降。微塑料处理可能通过改变土壤理化性质及土壤微生物群落结构,减少了土壤抗性基因(tet A和sulⅠ)的丰度。