立陶宛自然和人为场地土壤中微塑料丰度与微塑料生物降解潜力之间的反向关系

《Environmental Pollution》：Inverse Relationship Between Microplastic Abundance and Microplastic Biodegradation Potential in Soils from Both Natural and Anthropogenic Sites in Lithuania

　　

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  运营中的垃圾填埋场拥有最多的与塑料相关的分类单元。
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  运营中的垃圾填埋场显示的与塑料降解相关的基因多样性最低。
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  已关闭的垃圾填埋场的微生物组反映了埋藏废物的可能影响。
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  草场土壤拥有最广泛的与塑料降解相关的基因集合。

引言

由于微塑料（MP）在环境中的积累，其日益增多已成为社会和科学领域日益增长的关切 [1]。塑料生产成本较低、轻质、物理和化学性质稳定，且几乎不可生物降解 [2]。MP是直径小于5毫米的塑料颗粒 [2]，以各种形状存在，包括珠状、碎片、纤维和薄膜 [3]。MP可在多种地点被发现，从废物管理设施到珠穆朗玛峰顶 [4]、北极地区、阿尔卑斯山 [5]，以及食品产品中，包括蜂蜜 [6]、水果表面 [7] 和海产品 [8]。MP污染最早在20世纪70年代被记录于海洋环境 [9]，但发现海洋中大多数MP源自陆地（陆地MP浓度更高），这一发现将注意力引向了MP对土壤污染的研究。不同类型的塑料有不同的环境影响：有些比其他类型更易回收或生物降解 [10]，能不同程度地吸收和运输污染物，如疏水性有机污染物、重金属和抗生素 [11]，缓慢释放增塑剂和其他添加剂 [12]，并通过为微生物生长创造一个新的生态位——"塑料圈"（plastisphere），改变微生物群落。这些颗粒连同微生物可能通过空气、水或由动物运输，改变它们沉积的不同微生物群落 [13]。

尽管回收量逐渐增加，但大多数塑料废物最终进入环境 [14]。城市垃圾填埋场是全球包括欧洲在内最常用的废物管理方法之一，它们仍然不可或缺。例如，在欧洲，约23%的塑料废物被填埋，35%被回收，42%被焚烧 [15]，而部分塑料废物进入环境。因此，填埋场中发现大量各种MP。填埋场代表了最活跃的陆地生态系统之一，其微生物群落高度多样化，由于胞外和胞内酶谱，具有代谢复杂底物的潜力 [16] [17]。真菌和细菌等微生物可能附着在石化聚合物的表面，在其上繁殖，形成塑料圈，并将塑料作为碳源 [18]。因此，筛选能够在开放和关闭的填埋场降解各种MP的微生物和/或酶是值得的，因为MP的生物降解被认为是一种环保且经济有效的策略 [19]。

水解和氧化是塑料生物降解过程中发生的两种主要反应类型 [20]。在水解酶中，酯酶（例如，其活性位点足够大以容纳高分子量底物的角质酶 [21]、羧酸酯酶、脂肪酶）、蛋白酶和尿素酶对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氨酯（PU）等塑料底物表现出催化活性，因为它们含有可水解的酯键和氨基甲酸酯键 [22]，[23]。几个例子是：腐皮镰刀菌（Fusarium solani）角质酶，因其能够修饰PET表面 [24]；来自Thermobifida fusca 的角质酶1和角质酶2，能够水解PET的酯键 [25]；聚酰胺水解酶莱比锡7（PHL7），对无定形PET表现出高活性 [26]；枝叶堆肥角质酶（LCC），能够切割PET [27]；Ideonella sakaiensis 的特定PET酶和MHET酶，参与PET的利用；绿脓氯单胞菌（Pseudomonas chlororaphis）聚氨酯酶（脂肪酶）PueA，因其能够利用PU [28]；Lysinibacillus fusiformis 氨基甲酸酯酶（谷氨酰-tRNA-酰胺转移酶），其能够靶向氨基甲酸酯、酰胺和脲键 [29]；以及Rhodococcus erythropolis MP₅₀ 酰胺酶，因其对氨基甲酸酯键的活性 [29]，[30]。

氧化还原酶是参与塑料生物降解的另一类关键酶。其中包括单加氧酶、过氧化物酶和漆酶 [23]。烷烃1-单加氧酶（烷烃羟基酶，AHs）可能攻击高度难降解的聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS） [2]。其他可能针对MP进行生物降解的氧化还原酶例子包括：来自Rhodococcus opacus R7的类漆酶多铜氧化酶（LMCOs） [31]，具有降解PE的能力；苯乙烯单加氧酶（SMOs），作为PS降解途径中的一步，攻击和氧化PS中间产物苯乙烯的乙烯基侧链 [32] [2]。因此，我们筛选了这些酶的样本。

在不同MP状况的环境中，微生物群落组成和功能能力差异显著。尽管生物降解能力仍在全球范围内进行探索，但预计在高MP环境中，微生物组具有更强的MP降解能力。在立陶宛，实施欧盟垃圾填埋法规导致填埋场关闭。这提供了一个机会，可以比较已复垦的填埋场、运营中的填埋场和从未接受废物处置活动的天然草场，这可能为微生物适应和生物降解潜力提供见解。在本研究中，16S rRNA和ITS基因的扩增使细菌和真菌群落（包括未培养微生物）的特征化成为可能，而功能基因的检测可能揭示生物降解MP的潜力。这是第一项结合微塑料表征、土壤微生物组组成以及塑料降解相关基因（如水解酶和氧化还原酶）筛选的研究，横跨立陶宛的三个地点：运营中的Kazoki?k?s填埋场、已关闭的Karioti?k?s填埋场，以及一个没有先前耕作、覆盖或废物暴露历史的草场。

章节片段

样品采集

本研究分析的样品于2021年从天然和人为地点采集。从Kazoki?k?s填埋场采集了7个样品，该填埋场自2007年起运营（KZ，54.807033° N，24.821911° E）。KZ1.T样品取自活跃点（废物材料与土壤覆盖物混合）；其他Kazoki?k?s土壤样品取自运营填埋场的非活跃部分：KZ2.T（2007–2009年运营）；KZ3.T、KZ5.T和KZ5.B（2009–2014年运营）；KZ4.T和

研究样品中MP的鉴定与分布

检测到塑料的组成因样品地点而异（图1a, d），其中KZ样品中直径小于1毫米的颗粒表观浓度最高（495个/克），KR中最低（170个/克）。测试填埋场的MP水平高于立陶宛Lap?s填埋场 [56] 和其他填埋场 [57]，[58]，[59]。草场土壤样品中的MP丰度高于全球其他土壤样品 [57]，[60]，[61]，[62]，[63]，[64]，

结论

本研究证明了立陶宛人工和自然环境中MP、微生物群落组成和生物降解相关基因谱的地点特异性分布，包括运营中的Kazoki?k?s填埋场、已关闭的Karioti?k?s填埋场和自然草场。与传统假设相反，运营中的Kazoki?k?s填埋场点的微生物组富集了与塑料相关的属，但显示出最窄的检测到的功能基因

CRediT作者贡献声明

Alena Koida：写作——初稿，验证，方法学，调查，形式分析，数据整理。Justinas Kavoliūnas：可视化，验证，软件，调查，形式分析。Sonata Pleskyt?：可视化，验证，调查。Ingrida Prigodina Luko?ien?：项目管理，调查。Egl? Lastauskien?：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。Gintar? Jak?tien?：写作——审阅与编辑，写作——

数据可用性声明

本研究的基础数据公开可获取于EMBL-EBI欧洲核苷酸档案，登录号为PRJEB111133。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

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