关键词:
微塑料
生物炭
细菌群落
土壤理化性质
辣椒
功能预测
摘要:
塑料是一种高分子聚合物,其具有高度的化学稳定性和较强的可塑性,并且价格低廉且耐用,为人们带来了许多便利,但同时也造成了严重的环境问题。自然环境中的塑料,在物理、化学和生物因素等协同作用下,分解为微塑料(粒径<5 mm)。微塑料(microplastics,MPs)作为新型环境污染物,长期稳定的存在于土壤环境中,对土壤生态环境系统构成威胁。生物炭是在限氧或低氧的条件下,通过热裂解有机物质而生成的一种固体颗粒物,其p H值、比表面积和碳氮比较高,且还具有高抗分解性。生物炭进入土壤后能够调节土壤微生物的特性(如微生物生物量、微生物群落结构及组成),影响微生物介导的养分循环和转化过程,进而改变土壤的品质和功能。然而,目前关于生物炭施用对微塑料污染土壤-植物系统细菌群落的影响以及细菌功能预测分析的研究报道较少。因而,本研究利用16S r RNA高通量测序技术对施用生物炭后的微塑料污染土壤细菌群落进行了分析,探讨了辣椒(Capsicum annuum L.)三个生长阶段不同处理微塑料污染土壤细菌群落结构,并进行细菌功能预测分析。主要研究结果如下:
(1)本研究通过微观土壤培养试验发现,生物炭的施用减缓了微塑料污染土壤NO3--N和Olsen-P含量的降低,增加了TP含量。在微塑料污染土壤中细菌群落结构和组成的变化与土壤p H值和TP含量显著相关,生物炭的施用对微塑料污染土壤的影响机制,应重点考虑土壤p H值和磷含量的变化。生物炭施用对微塑料污染土壤细菌群落产生了显著影响。施用生物炭可以增加微塑料污染土壤酸杆菌门(Acidobacteriota)、放线菌门(Actinobacteriota)和拟杆菌门(Bacteroidota)等微塑料耐受菌门的相对丰度,同时也提高了溶杆菌属(Lysobacter)的相对丰度,减缓了微塑料对土壤细菌群落结构的威胁,降低了微塑料对土壤的污染程度。其中在第7天和第21天优势细菌为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门和放线菌门。相对于第7天,第21天各处理土壤中变形菌门和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度显著下降,而酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门(Chloroflexi)和粘菌门(Myxococcota)的相对丰度增加。
(2)通过盆栽培养试验发现,在辣椒生长的三个阶段,总生物量呈递增趋势,其中结果期阶段总生物量显著高于幼苗期和开花期阶段。微塑料的添加抑制了辣椒株高的生长,生物炭的添加促进了微塑料污染土壤辣椒株高的生长。此外,生物炭的施用显著增加了微塑料污染土壤辣椒果实生物量。生物炭施用对微塑料污染辣椒土壤细菌群落产生了显著影响。生物炭的施用提高了微塑料污染辣椒土壤细菌群落物种均匀度和丰富度,增加了微塑料污染土壤变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和拟杆菌门等相对丰度,还增加了马赛菌属(Massilia)、溶杆菌属(Lysobacter)和土生单胞菌属(Terrimonas)等相对丰度。Pearson相关性分析和冗余分析表明,土壤NH4+-N、NO3--N、p H、SOC和TP是土壤细菌群落组成的主要影响因子,马赛菌属、溶杆菌属和土生单胞菌属对辣椒生长指标影响较大。
(3)PICRUSt2功能预测表明,微塑料污染土壤细菌群落主要涉及4个一级功能层(level 1)和16个二级功能层(level 2),其具体表现为土壤细菌群落在代谢(Metabolism)、遗传信息处理(Genetic information processing)和细胞过程(Cellular processes)方面功能活跃。生物炭的添加使得微塑料污染土壤细菌群落,在氨基酸代谢(Amino acid metabolism)和碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)相关途径的基因丰度得到提升,比如提高了糖酵解/糖异生(Glycolysis/Gluconeogenesis)、柠檬酸循环(TCA循环)(Citrate cycle(TCA cycle))、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(Alanine,aspartate and glutamate metabolism)、赖氨酸生物合成(Lysine biosynthesis)等功能。生物炭可通过影响微塑料污染辣椒土壤细菌群落具体代谢途径(即:氨基酸代谢和碳水化合物代谢),提升微塑料污染土壤植株氮、磷代谢循环,从而有效促进微塑料污染土壤辣椒生长。
综上所述,生物炭的施用改善了微塑料污染土壤理化性质,增加了微塑料污染耐受菌群,增强了微塑料污染土壤稳定性,减缓了微塑料对土壤的污染,生物炭对改善微塑料污染土壤质量有着巨大潜力。生物炭的施用还增加了微塑料污染土壤有益菌群,有助于微塑料污染土壤植株氮、磷代谢循环,有效促进微塑料污染土壤植物生长,为微塑料污染土壤防