聚丙烯微塑料纤维对河滨带土壤硝化过程影响机制研究

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河滨带湿地是陆地生态系统与水生生态系统之间重要的过渡地带,能够减少陆地通过面源污染向水生生态系统输入的氮素,维持河流水质的健康。由硝化细菌(AOB)和硝化古菌(AOA)共同承担的硝化过程通常被认为是湿地土壤氮循环的限速步骤,其硝化速率易受外界环境因素的干扰。近年来,河滨带湿地逐渐成为一种新型难降解污染物——微塑料,迁移转化与累积的重要场所。然而微塑料的累积对河滨带湿地土壤硝化过程的影响鲜见报道,因此亟待探究微塑料对自然湿地土壤硝化过程的影响机制。本研究针对以上问题,采用实验室模拟装置培养试验,探究了不同浓度的聚丙烯微塑料纤维对湿地土壤硝化过程的影响。通过长期监测实验装置中土壤滤液的水质指标,N2O气体的释放通量、土壤宏观形貌的改变与物理性质等指标,探究了不同浓度的微塑料纤维对湿地土壤硝化过程的影响规律;采用扩增子和宏基因测序手段,提取土壤细菌与古菌的DNA,从物种和基因层面揭示了微塑料纤维对土壤微生物的影响;最后结合所测试的土壤环境参数和微生物测序数据,采用多种生物信息学分析手段,揭示了湿地土壤微生物群落结构改变的主要诱导因子,探究了微塑料纤维对土壤硝化过程的关键影响途径。主要研究结论如下:微塑料纤维显著改变了土壤的物理性质,随着微塑料纤维添加浓度升高,土壤团聚体颗粒数量和土壤持水性显著降低;0.3%浓度的微塑料纤维添加使土壤密度显著提高。高浓度微塑料纤维(0.9%)的长期暴露使湿地土壤的氨氮去除效率显著降低;同时,添加0.3%和0.9%微塑料纤维的土壤的N2O释放通量也显著降低。为探究微塑料纤维对湿地土壤中微生物的影响,本实验采用扩增子测序分析了土壤中细菌与古菌群落组成变化,通过宏基因测序揭示了土壤基因组丰度的变化。研究发现,添加微塑料纤维的土壤与空白对照组土壤中细菌与古菌群落的多样性有显著性差异。不同浓度微塑料纤维显著改变了土壤中特定微生物的丰度,例如添加0.9%浓度的微塑料纤维使氨氧化古菌(AOA)Nitrososphaera和Nitrososphaeraceae的相对丰度显著降低。土壤宏基因分析结果显示,微塑料纤维使土壤中氨氧化过程功能基因(amo ABC,hao)的总丰度降低了40.3~64.8%,而硝化过程功能基因(amo ABC,hao,nxr AB)的总丰度却增加了5.3~11.8%。通过功能基因模块的物种贡献度预测结果发现,随着微塑料纤维添加浓度的升高,硝化古菌对硝化过程的贡献度减少了了12.85~76.87%。由此可见,微塑料纤维的暴露下湿地土壤的氨氧化步骤受到了明显抑制,而土壤硝化古菌(AOA)丰度的减少是土壤氨氮去除速率降低的重要原因;在土壤氨氧化过程受到抑制的前提下,与亚硝酸盐氧化步骤相关的功能基因丰度的升高导致了硝化过程中间产物,N2O气体释放通量的显著降低。为研究微塑料纤维胁迫下土壤环境的改变对土壤细菌与古菌群落的影响,本研究采用了mantel’s test、冗余分析和偏冗余分析对环境因子变量对土壤细菌与古菌群落变化的相关性和解释率进行了分析。结果发现,土壤团聚体颗粒数量和土壤持水性是驱动土壤细菌与古菌群落结构改变的关键因子。微塑料纤维浓度、土壤团聚体颗粒、土壤持水性和土壤密度对土壤细菌与古菌群落变化的单独解释率分别为13.7%、4.3%、16.6%和4.1%。土壤特定菌属,硝化古菌(AOA)Nitrososphaera和Nitrososphaeraceae的相对丰度与土壤N2O释放速率、土壤团聚体颗粒数量和土壤持水性呈显著正相关,与微塑料纤维浓度呈显著负相关。采用结构方程模型进一步探究了微塑料纤维对湿地土壤硝化过程的关键影响途径。结果表明,微塑料纤维是通过改变土壤物理性质,影响土壤硝化功能基因丰度和微生物群落结构,进而间接影响了土壤N2O的释放通量(间接影响系数为-0.491,P<0.01)。微塑料对土壤氨氮去除速率的总影响效应显著(影响系数为-0.474,P0.05)。
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