短暂6PPD暴露及快速消散后河流沉积物中的微生物演替与功能响应

《Emerging Contaminants》：Microbial succession and functional responses in riverine sediments following transient 6PPD exposure and rapid contaminant dissipation

　　

N-(1,3-二甲基丁基)-N′-苯基对苯二胺（6PPD）是一种广泛使用的轮胎抗氧化剂，可转化为毒性极强的氧化产物6PPD-醌（6PPD-Q）。尽管这两种化合物在水环境中被越来越多地检出，但它们对沉积物微生物群落的潜在影响仍知之甚少。本研究采用沉积物-水微宇宙，结合扩增子测序、生态网络分析、群落组装分析和宏基因组学，研究了环境相关浓度下6PPD的衰减及相关微生物响应。6PPD和6PPD-Q均快速消散，大部分添加化合物在培养最初几天内衰减。尽管消散迅速，短暂6PPD暴露仍与微生物群落演替、网络特征、群落组装过程及营养盐相关理化性质的变化相关，包括NH₄⁺和SO₄^2?浓度升高。宏基因组分析表明，碳循环功能潜力相对稳定，而氮和硫循环功能潜力在不同处理和培养时期表现出较大变异。在6PPD和6PPD-Q大量消散后，这些微生物和功能响应仍可检测到。综上，这些发现表明，短暂暴露于轮胎源污染物可在母体化合物消散后影响沉积物微生物群落结构和功能潜力。本研究强调了在评估轮胎源污染物对水生沉积物环境影响时，考虑微生物生态响应的重要性。

本研究以轮胎抗氧化剂N-(1,3-二甲基丁基)-N′-苯基对苯二胺（6PPD）及其高毒氧化产物6PPD-醌（6PPD-Q）为对象，探讨短暂暴露于环境相关浓度下，沉积物微生物群落演替与功能潜力是否会在污染物消散后持续变化。河流沉积物是轮胎源污染物的汇，但此前研究多集中于水体或土壤，对环境相关条件下沉积物微生态的响应认识不足。研究人员采集中国东海舟山某河流表层沉积物（29°59′49.24″ N，122°10′20.31″ E），设置对照及低（50 ng/g）、中（150 ng/g）、高（450 ng/g）三个6PPD浓度处理，构建沉积物-水微宇宙，于30天内监测6PPD和6PPD-Q衰减、沉积物理化性质及微生物群落动态。结果表明，6PPD在6天内消散约94.6%–95.3%，6PPD-Q亦快速衰减，但短暂暴露仍引起微生物群落组成、组装过程、共现网络及功能潜力的持续变化，其中氮、硫循环功能潜力变化显著，而碳循环功能潜力相对稳定。该研究揭示了短暂污染物输入对沉积物微生物生态的“遗留效应”，为评估轮胎源污染物的生态风险提供了新视角。

研究人员采用了沉积物-水微宇宙培养实验，结合16S rRNA基因扩增子测序（V4–V5区）分析微生物群落组成与多样性，利用基于Bray–Curtis距离的主坐标分析（PCoA）和轨迹长度量化群落演替；采用中性群落模型（NCM）、系统发育随机性比率（pNST）和β-最近分类单元指数（βNTI）解析群落组装过程；通过共现网络和Zi–Pi分析评估物种互作模式；利用宏基因组测序与KEGG功能注释分析碳、氮、硫循环相关通路；运用冗余分析（RDA）、Mantel检验和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）揭示环境因子、群落与功能间的关系。样本来自浙江舟山河流表层沉积物，背景6PPD及6PPD-Q浓度低于1 ng/g。

### 3.1 6PPD的衰减与沉积物理化性质变化

在培养前6天，各处理中6PPD消散比例达94.6%–95.3%；均检出6PPD-Q，初始浓度分别为2.2、6.7和14.3 ng/g，随后迅速下降。NH₄⁺浓度在30天时显著高于对照（L、M、H处理分别达757.3、495.4和681.8 mg/kg），SO₄^2?在M和H处理中显著升高（390.6和423.3 mg/kg），而总有机碳（TOC）和总氮（TN）变化不大。这表明短暂6PPD暴露与氮、硫相关地球化学参数变化相关。

### 3.2 微生物群落演替及分类学响应

PCoA和PERMANOVA表明6PPD暴露和培养时间均显著影响群落结构，12天处处理间差异较30天明显。群落演替轨迹长度从对照的0.477递减至高处理的0.272，说明暴露降低了群落时间周转。Alpha多样性在12天时高处理Shannon指数升高，但30天时差异消失。门水平上变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）占优势。LEfSe分析显示，对照富集Rhodocyclaceae和Hydrogenophaga（与反硝化相关），高处理富集脱硫菌纲（Desulfuromonadia）和厌氧绳菌纲（Anaerolineae），中处理富集Dechloromonas。这些类群与氮、硫循环相关，与NH₄⁺和SO₄^2?积累相呼应。

### 3.3 微生物群落生态组装与互作模式

中性模型解释了物种出现频率59.2%–61.9%的变异，pNST值均在62.9%–75.1%，表明随机过程主导群落组装。过程划分显示群落组装主要受未支配过程和扩散限制控制，但检测到同质化和异质化选择，说明确定性过程也有一定贡献。共现网络分析显示，随6PPD浓度升高，网络边数、图密度和平均度降低，但模块化和聚类系数仍高于随机网络，表明群落组织结构具有一定稳定性。

### 3.4 宏基因组揭示的碳、氮、硫循环功能潜力

宏基因组结果显示，碳循环通路（糖酵解、TCA循环、固碳途径等）相对稳定。氮循环途径中，amoABC相对丰度在所有6PPD处理中较对照降低15.1%–40.3%，hao和nxrAB在L处理中分别降低23.2%和19.0%，与NH₄⁺积累一致。硫循环途径中，硫代硫酸盐氧化途径在6PPD处理中升高3.8%–15.0%，异化硫酸盐还原基因dsrAB升高23.6%–28.9%，与SO₄^2?浓度升高相符。

### 3.5 沉积物性质、微生物群落与功能潜力的整体关系

PLS-PM显示沉积物理化性质对微生物群落组成有强正效应（β = 0.902–0.913，P < 0.001），且对碳、氮、硫循环功能潜力的总效应最大。Mantel检验进一步表明NH₄⁺、SO₄^2?、电导率和TN与群落及功能显著相关。研究指出，这些关联基于协方差而非直接过程速率，且6PPD与6PPD-Q同时存在、其他转化产物未监测，以及恒温30 °C等条件限制了对自然外推的确定性。

### 结论

研究证实，环境相关浓度6PPD短暂暴露可在30天培养期内引起沉积物微生物群落组成、组装过程及营养盐参数的持续改变，即使6PPD和6PPD-Q已大量消散。宏基因组显示碳循环功能潜力较稳定，而氮、硫循环功能潜力变化更大。研究强调，评估轮胎源污染物在沉积物中的环境影响时，需特别关注微生物介导的生态响应及其潜在持续效应，但功能潜力变化不等于实际过程速率变化，其长期生态意义尚需在真实野外条件下进一步验证。