近日，王晓慧团队在《Journal of Hazardous Materials》期刊发表研究成果，题为”Responses of microbial interactions to polyvinyl chloride microplastics in anammox system”。该研究深入揭示了聚氯乙烯微塑料如何影响厌氧氨氧化系统中微生物之间的相互作用。PVC MPs 显著降低了微生物多样性并改变了整体微生物群落结构。通过Cytoscape网络可视化分析表明，低浓度的 PVC MPs（1 mg/L）会增加网络的规模和复杂性，而高浓度的 PVC MPs（50 mg/L）会随着节点和连接数的显着减少而降低网络复杂性（P < 0.05)。此外，50 mg/L PVC MPs提高了微生物网络之间的信息交流效率，这可能是微生物群落抵抗外部环境扰动并进一步保持系统性能稳定性的策略。同时网络中的关键物种在PVC MPs影响下发生了显著变化。
背景介绍
微塑料（MPs）是目前一种新型的持久性污染物，由于其体积微小很容易在生态系统中传播。较大的比表面积使得微塑料具有更强的吸附能力。当它们进入水环境时，微塑料表面往往会吸附抗生素、重金属离子等物质，增强其毒性。聚氯乙烯（PVC）被列为毒性最强的微塑料之一，具有很强的致突变性和致癌性。其进入污水生物处理系统后，有可能对系统运行带来影响。
厌氧氨氧化（anammox）是一种微生物催化的污水脱氮过程，在缺氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体的厌氧氨氧化细菌（AnAOB）将氨氮转化为氮气。厌氧氨氧化系统是一个复杂的微生物生态系统，其中AnAOB、自养硝化细菌、异养细菌等通过各种类型的相互作用共同生活形成一个复杂的生态网络。通过这些相互作用，厌氧氨氧化系统能够实现单个物种无法实现的脱氮功能。目前对于PVC MPs如何影响厌氧氨氧化系统中微生物相互作用还未见报道。本研究提供了关于新兴污染物PVC MPs如何影响厌氧氨氧化系统中微生物相互作用的观点。
要点一：污泥粒径及EPS含量变化
图1.显示了在不同浓度（0、1、15、50mg/L）的PVC MPs影响下，污泥粒径变化以及颗粒污泥胞外聚合物中PN和PS的含量变化。研究发现PVC MPs 浓度的升高导致污泥颗粒的粒径逐渐减小，EPS中的PN/PS 比值增加。多糖在造粒过程中起着至关重要的作用，多糖的桥接作用允许在分子之间形成复杂的网状结构。因此多糖含量的减少可能会降低颗粒内的粘附力，导致颗粒从大到小逐渐解体。
图1. 污泥粒度分布 (a)、PN 和 PS 含量以及 PN/PS 比率(b)
要点二：整体网络动态演替过程
图2.表明低浓度的PVC MPs (1 mg/L)促进了微生物网络的复杂性并且降低了其模块数量。随着PVC MPs浓度的增加(1 mg/L-50 mg/L)，网络的nodes、links和average degree分别从320、585和3.66下降到194、211和2.18。这说明高浓度的PVC MPs使网络变得简单。在50 mg/L PVC MPs条件下的average distance为4.51，显著低于对照(7.85)，这导致了网络中微生物之间更快的能量转移和信息交换。
图2. 0、1、15和50 mg/L PVC MPs作用下厌氧氨氧化系统中微生物网络的动态演替
要点三：Candidatus Kuenenia自网络动态演替过程
图3.显示了厌氧氨氧化细菌Candidatus_Kuenenia子网络的动态演替，其变化趋势和整体网络相同，在PVC MPs的作用下网络先变得复杂后逐渐趋于简单，Candidatus_Kuenenia是4个阶段中唯一存在的共享节点，其相对丰度从26.69% (0 mg/L)增加到32.38% (50mg/L)，这表明Candidatus_Kuenenia对PVC MPs具有良好的耐受性。
图3. 厌氧氨氧化微生物ASV18 (Candidatus_Kuenenia)的动态网络演替
要点四：关键物种的鉴定
图4.展示了网络中关键物种的分布，我们发现任意两个阶段都没有出现共享module hubs，表明在不同阶段的关键物种之间发生了动态演替。不同阶段新的关键物种的出现可能是微生物对环境变化产生的自我调整，这对维持网络结构的稳定性很重要。此外，除 ASV18 外，关键物种的最高丰度仅为 2.44%，而最低的几乎为零。这表明低丰度种群在厌氧氨氧化系统的性能中发挥更重要作用。
图4. 物种拓扑角色的Z-P图
作者简介
王晓慧，现任北京化工大学化学工程学院环境科学与工程系见习教授，北京市水处理环保材料工程技术研究中心副主任，主要从事水污染控制与环境微生物领域的研究，包括过厌氧氨氧化，好氧颗粒污泥等水处理工艺研究，高效功能菌株筛选，基于分子生物学的微生物群落及相互作用。团队承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、企业合作课题等10余项。作为通讯联系人或第一作者，在环境领域著名期刊Environment Science and Technology、Water Research等学术期刊发表SCI论文60余篇，申请及授权专利10余项。
课题组联系方式：
18600574677
xhwang@mail.buct.edu.cn
论文连接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129807