城市树木的叶际微生物组富含耐污物种

《Environmental Pollution》：Urban Trees Harbor Phyllosphere Microbiomes Enriched in Pollution-Tolerant Taxa

　　

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  城市植物的叶片捕尘能力是农村植物的9.9倍。
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  富金属颗粒物（PM）显著改变了叶面微生物群落。
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  耐逆物种，包括鞘氨单胞菌属和葡萄球菌属，因PM污染而富集。
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  农村叶面保留了稀有的生态系统和更丰富的微生物多样性。
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  叶面细菌可能提高解毒能力和PM捕集能力。

引言

快速的城市化进程加剧了大气颗粒物污染，尤其是在受交通、工业和建设影响的密集人口区域。颗粒物（PM）是影响人体健康和生态系统功能的主要城市空气污染物（Das等，2023年；Zhang等，2023年）。大气PM包含不同大小的颗粒，包括PM₁₀、PM₂.₅和PM₁，这些颗粒可悬浮于空气中并在长距离内扩散。PM是一种化学组成复杂的混合物，包含矿物颗粒、重金属、有机化合物、多环芳烃（PAHs）和生物材料。多种与PM相关的化合物，尤其是重金属和有毒有机污染物，可引发植物和微生物的氧化应激和细胞损伤。相反，某些矿物和有机组分毒性较低，甚至可能提供营养来源，支持微生物在叶表面的定殖（Huang等，2023年；Roy等，2024年）。

城市植被，尤其是树木，在缓解PM污染和改善城市空气质量方面发挥着核心作用。树冠通过碰撞、扩散和沉降作用拦截并滞留空气颗粒物，充当生物过滤器（Mandal等，2023a）。在植被去除污染物的各种机制中，叶面沉积被认为是大气PM捕集的主要途径。叶表面为空气颗粒物提供了广阔的沉积位点，使城市树木在去除大气PM方面尤为有效（Roy等，2020年）。叶片的结构特征，包括蜡质层、毛状体、沟槽和粗糙表面，强烈影响其捕集不同大小空气颗粒物的效率。超细颗粒物可堵塞气孔，干扰蒸腾作用和光合作用，并产生活性氧（ROS），从而加剧污染条件下的氧化应激并降低植物适合度。

叶表面还栖息着多样的微生物群落，即叶面微生物组。叶面被认为是地球上最大的微生物栖息地之一，支持着与植物表面和大气输入密切相关的细菌、真菌和其他微生物（Dang等，2024年）。这些微生物群落在维持植物健康方面发挥着重要作用，包括促进养分循环、促进植物生长和增强对环境胁迫的耐受性（Song等，2022年；Xue等，2023年）。此外，叶面相关微生物通过生态位竞争、抗菌物质产生和调节宿主免疫应答来抑制病原菌（Huang等，2023年）。

近期研究表明，叶面微生物可能也会影响沉积在叶表面的颗粒污染物的去向。多种叶面相关类群具有参与降解或转化PM相关有机污染物和异源化合物的代谢途径。某些矿物和有机PM组分还可能提供营养资源，促进微生物在叶表面的持续存在。因此，沉积的PM可能既作为环境胁迫因子，也作为叶面微生物的营养来源或底物。尽管从生理和形态学角度对植被介导的PM去除已进行了广泛研究，但对叶面微生物群落在PM转化和去除中的功能作用关注较少（Mandal等，2023b）。了解大气颗粒物、叶表面和叶面微生物之间的相互作用，有助于解释城市植被如何响应颗粒物污染。

章节摘要

研究区域与采样

采样地点的详细信息见表S1。采样在印度西孟加拉邦马尔达县的一个城市点和一个农村/森林（非污染）点（作为参考点）进行。农村/森林点的低人口密度和交通密度低于城市点。研究期间采集的气象参数包括温度（°C）、日照时数（小时）、相对湿度（%）和降雨量（mm）（表S2）。样品于降雨后一周采集

各采样点PM₁浓度、组成、DCP和TAD

城市点的颗粒物污染高于农村/森林点。城市环境中PM₁的平均浓度为218.92 μg m^-3，约为农村/森林点（35.63 μg m^-3）的6.14倍（图2 g.）。同样，城市地区的TAD明显高于农村/森林点（767.85 ± 76.78 mg m^-2 day^-1），约为农村/森林点（232.14 ± 23.21 mg m^-2 day^-1）的3.31倍（图2 h.）。两个点的PM₁元素组成也存在差异

各采样点PM组成和灰尘负荷的变化

捕尘能力（DCP）使叶片能够通过静电吸引、表面粗糙度和角质层蜡质特征拦截空气颗粒物，从而发挥生物过滤器的功能（Singh等，2019年）。叶片微形态是PM滞留的主要决定因素，物种特异性特征影响颗粒物积累效率（S?b?等，2012年；Weerakkody等，2017年）。大气沉降和PM₁可通过与叶片相互作用改变叶面条件

结论

本研究表明，城市大气污染影响着叶面细菌群落的多样性、组成和预测功能潜力。尽管总体群落组成在城市与农村/森林环境之间存在较大重叠，但城市样品的Shannon多样性显著较低，并富集了与污染相关的属，包括鞘氨单胞菌属、葡萄球菌属、甲基杆菌-甲基洛氏杆菌和膜原菌属，而农村

作者贡献声明（CRediT）

Mamun Mandal：撰写 – 初稿，可视化，调查研究，正式分析，数据整理，概念构思。Raghawendra Kumar：撰写 – 初稿，软件，正式分析。Anamika Roy：撰写 – 审阅与编辑。Arkadiusz Przybysz：撰写 – 审阅与编辑。Robert Popek：撰写 – 审阅与编辑。Magdalena Pawe?kowicz：撰写 – 审阅与编辑，可视化。Abhijit Sarkar：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，概念构思。

未引用参考文献

Chatterjee等，2024年；Chen等，2020年；Liu等，2022年；Wei等，2017年。

参与同意：

不适用。

出版同意：

不适用。

数据可用性

本文研究过程中分析的所有数据均已包含在本文之中。

伦理审批：

不适用。

利益冲突

通讯作者代表所有作者声明，不存在利益冲突。

生成式AI使用声明

本研究未使用生成式AI工具进行数据分析或解读。仅使用语言编辑辅助进行语法和格式调整，未改变科学内容。

资金支持

不适用。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

AR感谢印度新德里科学理事会（CSIR）通过初级研究奖学金（CSIR-HRDG参考编号：Sept/06/22(i)EU-V）提供资助。所有作者还感谢印度科学和技术部及生物技术局（DBT-BOOST项目）提供的基建支持（参考编号：1089/BT(Estt)/1 P-07/2018；日期：2019年1月24日），支持印度西孟加拉邦加尔邦嘎大学植物学系的研究工作。

Mamun Mandal|Raghawendra Kumar|Anamika Roy|Arkadiusz Przybysz|Robert Popek|Magdalena Pawe?kowicz|Abhijit Sarkar