科研 | ES&T：不同碳纳米管对土壤细菌群落组成和结构的影响（国人作品）
编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
碳纳米管（CNTs）在工业上应用广泛，在应用过程中势必会进入环境，因此需要对其所产生的环境风险进行评价。目前仍缺乏碳纳米管对土壤微生物群落影响的了解。基于此背景，本研究系统地探究了一种单壁碳纳米管（SWs）以及三种不同外径的多壁碳纳米管（MWs）对农业土壤中土壤细菌群落的动态影响。
结果表明：
① MWs与SWs对土壤细菌丰度、多样性和组成所造成的影响不同。这种差异可能是由于材料不同的物理结构和表面组成所导致，这种差异反过来又影响了它们在土壤中的生物有效性。对于某些处理，土壤细菌多样性和某些优势类群的相对丰度与其暴露时间相关。
② 然而，许多细菌门在56天内恢复到其初始的相对丰度，这一结果反映了土壤细菌群落对CNTs干扰的响应具有弹性效果。在属水平的进一步分析发现，细菌属水平上对MWs的耐受性表现出粒径依赖性以及浓度依赖性。
③ 预测性功能分析表明，尽管CNTs最初导致微生物群落功能的波动，但到56天暴露结束时，群落功能在所有处理中都很大程度上趋于一致。
论文ID
原名：Effects of Various Carbon Nanotubes on Soil Bacterial Community Composition and Structure
译名：不同碳纳米管对土壤细菌群落组成和结构的影响
期刊：Environmental Science and Technology
IF：7.38
发表时间：2019.5
通讯作者：王喜龙
作者单位：北京大学
实验设计
结果
1 碳纳米管对土壤细菌丰度的影响
本研究基于qPCR方法对土壤微生物总丰度进行了测定（图1）。考虑到不同的碳纳米管（CNT）类型，与空白组相比，不同剂量的SWs通常会导致土壤细菌丰度略有增加，且这种增加的影响在最高剂量时表现出显著效果（p < 0.05）。这表明SWs总体上对土壤细菌丰度有轻微的促进作用。在三个MWs组中，直径最大的MW50总体上降低了土壤细菌的丰度，相对来说，直径较小的MW20和MW30在某些情况下促进了土壤细菌的丰度。以上结果表明，不同的碳纳米管对土壤细菌丰度的影响是不同的，这与之前的结果相一致。
2 碳纳米管对土壤细菌群落α多样性的影响
基于高通量测序可以发现，在整个研究周期内，对照组的α多样性（shannon指数）基本保持稳定（p=0.688）（图2）。而暴露于不同浓度CNTs，其对土壤细菌α多样性所产生的影响不同。较高剂量的SWs显著增加了土壤细菌α多样性（p<0.05），此外，0.1%添加量条件下使土壤细菌α多样性增加的持续时间（56天）要比0.5%添加量条件下的（28天）要长。与SWs相比，MWs暴露对土壤细菌α多样性的影响更大。在56天培养过程中，MW20和MW50显著促进了土壤细菌多样性（p<0.05），表明MWs可以促进长时间培养的土壤细菌多样性。总体而言，CNTs暴露可以改变土壤细菌α多样性。
3 SWs与MWs对土壤细菌群落β多样性的影响
为了比较暴露于不同CNTs以及不同剂量下土壤细菌群落组成（β多样性）的相似性，基于Bray-Curtis矩阵比较了不同处理条件下样本与对照组的关系（图3A）。与高剂量的MWs相比，在较短的时间内，SWs对土壤细菌群落的影响更强，但随着时间的推移，不同处理间的影响效果趋于一致。基于PCoA分析表明，SWs处理后的土壤细菌群落与MWs处理后的土壤细菌群落并未聚类到一起，而三种不同MWs处理后的土壤细菌群落彼此之间聚类到一起（图3B）。细菌群落的Adonis分析与PCoA一致，SWs处理后与MWs处理后的土壤细菌群落表现出显著性差异（p=0.001）。PERMANOVA分析可以证实，在所有处理中，碳纳米管的类型是土壤细菌群落组成的主要驱动因素。
不同的CNT诱导了土壤细菌群落组成的变化；但一些核心的微生物仍存在于所有的处理之中。其中40.7-48.4%的总OTUs存在于所有处理中，在SWs处理下（不考虑剂量浓度）其特有的OTUs数量最大，约占所有OTUs的23.5-25.0%。基于β多样性和核心分类群分析表明，在56天内，SWs对细菌群落组成的影响更为显著。
4 在门水平上，碳纳米管对土壤细菌群落组成的影响
在7天暴露后，我们在门水平上通过比较13种优势细菌门的相对丰度，以更好的了解不同CNTs对土壤微生物群落组成的影响（图4）。SWs处理下（不考虑剂量效应），显著促进了Proteobacteria和Bacteroidetes的相对丰度，但降低了Actinobacteria 以及Chloroflexi的相对丰度；而MWs表现出与SWs相反的趋势（p<0.05）。这些观察表明，在较短的时期内，具有较小尺寸的SWs可以在门水上可以促进或抑制某些土壤细菌，但具有较大尺寸的MWs表现出相反的效果。这与β多样性的结果相一致，与对照组相比，SWs和MWs的添加引起土壤细菌群落组成的显著变化，但SWs和MWs所引起的扰动情况大不相同，此外，不同粒径的MWs对土壤微生物群落组成的影响也大不相同。
5 在门水平上，不同MWs所引起的不同影响
基于Leftse分析，我们在门水平上探讨了不同粒径大小的MWs对土壤微生物群落组成的影响（图5）。当MW20添加量0.05%时，Firmicutes门中的Bacillales 以及Clostridiales显著富集（p<0.05）。当MW30添加量0.05%时，Bacteroidetes门中的Chitinophaga以及Terrimonas表现出显著的差异（p<0.05）。当MW50添加量0.05%时，Actinobacteria门中的Solirubrobacter，Parviterribacter以及Gaiella表现出显著的差异（p<0.05）。
MWs对土壤微生物的影响同样也取决于所施加的不同剂量。随着MW 30浓度的增加，Gammaproteobacteria以及Deltaproteobacteria的相对丰度显著增加（p<0.05）。此外，我们还观察到细菌群落组成会随暴露时间的延长而变化（图5）。其中在第7天受MW30（添加量为0.05%）影响的大多数细菌在第28天逐渐恢复。MW50添加量0.05%的条件下，同样表现出相似的结果。
6 碳纳米管对土壤细菌群落功能的影响
基于PICRUSt方法我们预测了CNTs对土壤细菌群落功能的影响。所有NSTI范围为0.112至0.192，与土壤微生物群落的典型NSTI值一致。在所有情况下，膜转运、氨基酸代谢以及碳水化合物代谢是所有土壤群落中主要的功能特性，占全部细菌群落功能的31.3-35.4%。
讨论
1 碳纳米管类型对土壤细菌群落的影响
不同碳纳米管对土壤细菌丰度、多样性、群落组成和优势细菌门的影响不同。不同MWs和SWs所产生的差异可能是由于它们不同的结构、表面化学性质、他们与土壤组分之间的相互作用以及CNTs在土壤中的聚集导致。较小尺寸，较大比表面积的碳纳米管更容易与细胞相互作用，从而导致更严重的细胞损伤，因此这类的SWs对接触的微生物有较强的毒性。但在本研究中，虽然SWs的直径是MWs的5.8倍，但MWs对土壤细菌丰度的影响似乎比SWs大。在第56天，不管哪种暴露剂量下，MW20所导致最显著的变化。这表明，对于土壤细菌丰度而言，相对于MWs，直径小、比表面积大的SWs对土壤细菌的影响较小。目前已有的研究表明，PCR无法区分土壤中细菌是死是活，从而高估了土壤细菌在不同CNTs处理下的丰度。因此，碳纳米管对土壤细菌丰度的实际影响更大。以有的研究表明，SWs可以诱导群落产生更多的胞外高分子物质，以保护微生物免受压力。除此之外，土壤性质和养分含量可能会影响土壤微生物的多样性。本研究中，SWs处理下土壤微生物多样较高，这会使得其土壤环境维持在相对稳定的环境以维持其潜在功能。此外，具有较大比表面积的碳纳米管还将促进它们与土壤组分的相互作用，进而影响其在土壤中的移动性、胶体稳定性，从而影响他们在土壤中的生物有效性。
2 碳纳米管暴露剂量对土壤细菌群落的影响
在门水平上，在不同浓度SWs处理下，Proteobacteria和Bacteroidetes相对丰度的增加以及Actinobacteria和Chloroflexi相对丰度的降低可能是由于他们细胞膜组成成分的不同所导致。与革兰氏阳性菌相比，革兰氏阴性菌具有外膜结构，且细胞壁厚较厚，这将导致他们对外部压力表现出更高的耐受性。Proteobacteria是土壤细菌群落中最主要的细菌门，这其中包括许多革兰氏阴性菌。Proteobacteria因其巨大的代谢多样性而在全球碳、氮、硫循环中发挥着重要作用。本研究中，SWs促进了Proteobacteria的相对丰度，而不受剂量的影响。同属于革兰氏阴性菌的Bacteroidetes在SWs处理下相对丰度有所增加，这反映了土壤中较高的碳矿化率。随着Proteobacteria和Bacteroidetes相对丰度的增加，含氮化合物和碳水化合物的代谢也有所增强。某些细菌在门水平和属水平上的相对丰度随碳纳米管剂量的增加而变化，表明碳纳米管处理下对土壤细菌群落组成的影响表现出剂量依赖性。
3 碳纳米管暴露时间对土壤细菌群落的影响
总结
你可能还喜欢
这些或许也适合你哦👇