微生物生長(zhǎng)曲線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究海洋環(huán)境中塑料上真菌群落的定植和生物降解潛力
研究背景：自1950年以來(lái)，全球塑料產(chǎn)量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)模式，目前達(dá)到每年約3.91億噸(Mt)。塑料是一種用途廣泛的材料，因其眾多屬性而備受推崇，包括阻力、耐用性、延展性和成本效益。然而它們的廣泛利用導(dǎo)致產(chǎn)生大量未經(jīng)管理的廢物。過(guò)去十年，棲息在海洋塑料碎片上的微生物群落（即“塑料圈”）引起廣泛關(guān)注。這些微生物群落與周?chē)Ｋ械娜郝洳煌哂歇?dú)特的多樣性和組成。估計(jì)與MPD相關(guān)的微生物生物膜中有1000至15，000噸微生物，但考慮到上層海洋中微塑料數(shù)量，這一數(shù)字可能被低估。研究揭示了塑料材料浸入海洋環(huán)境后快速、組織良好且動(dòng)態(tài)的定殖過(guò)程。盡管大多數(shù)研究集中在細(xì)菌成分上，對(duì)微真核生物特別是真菌群落的探索有限。觀察表明地理位置和環(huán)境因素對(duì)真菌定殖的影響比塑料聚合物成分更顯著。聚合物成分通常不會(huì)顯著影響群落組成。浸泡時(shí)間對(duì)真菌定殖有顯著影響。真菌群落中，子囊菌占主導(dǎo)地位，其他真菌門(mén)（如擔(dān)子菌門(mén)、壺菌門(mén)等）也有檢測(cè)。盡管有超過(guò)400種微生物能夠降解塑料聚合物，但其降解常用聚合物（如PP、PS和PVC）的能力尚存疑。286種細(xì)菌和150種真菌顯示出降解塑料的潛力，主要包括變形菌門(mén)、放線菌門(mén)和子囊菌門(mén)等。14種細(xì)菌和一種真菌（Talaromyces variabilis）已被報(bào)道能降解PS。最近研究表明，幾種真菌顯示出降解PS的能力，但效果有限。本研究旨在填補(bǔ)多時(shí)間點(diǎn)PS浸泡和收集的知識(shí)空白，特別是比較傳統(tǒng)PS和可生物降解替代品在布雷斯特碼頭的真菌定殖潛力和動(dòng)態(tài)。通過(guò)高通量18S rRNA基因擴(kuò)增子測(cè)序和培養(yǎng)方法，研究不同聚合物上真菌群落的組成、結(jié)構(gòu)及其利用塑料作為碳源的能力，旨在闡明真菌定殖的差異及其影響因素，并確定真菌群落組裝的控制機(jī)制。
丹麥Biosense微生物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（oCelloScope?）的應(yīng)用
oCelloScope被用于觀察和分析真菌在不同塑料補(bǔ)充條件下培養(yǎng)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)。oCelloScope能夠生成每個(gè)培養(yǎng)孔的顯微圖像，這使得研究人員可以直觀地觀察到真菌在塑料補(bǔ)充條件下的生長(zhǎng)情況。這種圖像分析與激光nephelometry結(jié)合使用，提供了關(guān)于真菌生長(zhǎng)潛力的定量和定性數(shù)據(jù)。oCelloScope是一種數(shù)字延時(shí)顯微鏡技術(shù)，可掃描流體樣品，生成一系列圖像，使用oCelloScope系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間推移顯微成像，掃描添加PVC的條件下從接種(D0)到生長(zhǎng)14天(D14)的真菌生長(zhǎng)情況。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
為了解沉浸在海洋環(huán)境中的塑料上的真菌群落的定殖模式和生物降解潛力提供了重要的見(jiàn)解。在聚苯乙烯和可生物降解聚合物上觀察到的真菌物種多樣性，加上它們利用這些聚合物作為碳源的能力，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)诟鞣N塑料基質(zhì)上定植的能力，以及真菌在減輕海洋生態(tài)系統(tǒng)塑料污染方面的潛在作用。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)需要進(jìn)一步研究真菌生物降解機(jī)制及其在旨在應(yīng)對(duì)塑料廢物全球挑戰(zhàn)的環(huán)境管理策略中的實(shí)際應(yīng)用。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)了某些能夠降解塑料的真菌物種。一些真菌物種的生物降解能力與分離它們的聚合物之間表現(xiàn)出一致性，而其他物種則表現(xiàn)出相反的模式。由于只鑒定出很少的分離株，結(jié)果可能表明，海洋塑料碎片上的真菌群落組裝是確定性過(guò)程（生態(tài)位理論）和隨機(jī)過(guò)程（中性理論）的混合，正如最近在真菌土壤塑料圈上所證明的那樣使用宏基因組數(shù)據(jù)。沒(méi)有從PSE-PI中分離出能夠利用聚合物作為碳源的物種，該聚合物在我們的元條形碼數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)出最高的毒性和最低的真菌多樣性。一種能夠利用聚合物作為碳源的物種也被稱(chēng)為機(jī)會(huì)性病原體（煙曲霉）。這種雙重作用強(qiáng)調(diào)了海洋生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)真菌相互作用的復(fù)雜性，并強(qiáng)調(diào)了在生物修復(fù)工作中利用這些生物體的潛在風(fēng)險(xiǎn)和益處。它強(qiáng)調(diào)在制定基于真菌的塑料廢物管理策略時(shí)必須仔細(xì)考慮生態(tài)影響和健康影響，需要更多地關(guān)注酶而不是微生物。
圖1、分離株C1589利用聚合物作為碳源的能力。(A)在培養(yǎng)皿上14天的生長(zhǎng)情況（從左到右：陽(yáng)性對(duì)照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、陰性對(duì)照）。(B)使用激光濁度法獲得的生長(zhǎng)曲線（x軸代表以天為單位的時(shí)間，y軸代表以百萬(wàn)RNU（相對(duì)濁度單位）為單位的顆粒數(shù)。注意：y軸刻度根據(jù)聚合物補(bǔ)充條件的不同而不同。(C)使用oCelloScope對(duì)補(bǔ)充PE的條件下從接種(D0)到生長(zhǎng)14天(D14)的真菌生長(zhǎng)進(jìn)行可視化。
圖2、分離株C1591利用聚合物作為碳源的能力。(A)在培養(yǎng)皿上14天的生長(zhǎng)情況（從左到右：陽(yáng)性對(duì)照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、陰性對(duì)照）。(B)使用激光濁度法獲得的生長(zhǎng)曲線（x軸代表以天為單位的時(shí)間，y軸代表以百萬(wàn)RNU（相對(duì)濁度單位）為單位的顆粒數(shù)。注意：y軸刻度根據(jù)聚合物補(bǔ)充條件的不同而不同。(C)使用oCelloScope可視化添加PVC的條件下從接種(D0)到生長(zhǎng)14天(D14)的真菌生長(zhǎng)情況。
圖3、分離株C1666利用聚合物作為碳源的能力。(A)在培養(yǎng)皿上14天的生長(zhǎng)情況（從左到右：陽(yáng)性對(duì)照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、陰性對(duì)照）。(B)使用激光濁度法獲得的生長(zhǎng)曲線（x軸代表以天為單位的時(shí)間，y軸代表以百萬(wàn)RNU（相對(duì)濁度單位）為單位的顆粒數(shù)。注意：y軸刻度根據(jù)聚合物補(bǔ)充條件的不同而不同。(C)使用oCelloScope對(duì)補(bǔ)充PS、PET和PCL的條件下從接種(D0)到生長(zhǎng)14天(D14)的真菌生長(zhǎng)進(jìn)行可視化。
圖4：分離株C2218利用聚合物作為碳源的能力。(A)在培養(yǎng)皿上14天的生長(zhǎng)情況（從左到右：陽(yáng)性對(duì)照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、陰性對(duì)照）。(B)使用激光濁度法獲得的生長(zhǎng)曲線（x軸代表以天為單位的時(shí)間，y軸代表以百萬(wàn)RNU（相對(duì)濁度單位）為單位的顆粒數(shù)。注意：y軸刻度根據(jù)聚合物補(bǔ)充條件的不同而不同。(C)使用oCelloScope對(duì)補(bǔ)充PHBV和PVC的條件下從接種(D0)到生長(zhǎng)14天(D14)的真菌生長(zhǎng)進(jìn)行可視化。
圖5、分離株C2281利用聚合物作為碳源的能力。(A)在培養(yǎng)皿上15天的生長(zhǎng)情況（從左到右：陽(yáng)性對(duì)照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、陰性對(duì)照）。(B)使用激光濁度法獲得的生長(zhǎng)曲線（x軸代表以天為單位的時(shí)間，y軸代表以百萬(wàn)RNU（相對(duì)濁度單位）為單位的顆粒數(shù)。注意：y軸刻度根據(jù)聚合物補(bǔ)充條件的不同而不同。(C)使用oCelloScope對(duì)補(bǔ)充PHBV的條件下從接種(D0)到生長(zhǎng)15天(D15)的真菌生長(zhǎng)進(jìn)行可視化。
總結(jié)
本論文主要研究海洋環(huán)境中塑料上真菌群落的定植和生物降解潛力。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在法國(guó)布雷斯特港口的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，探索了不同塑料材料（包括傳統(tǒng)泡沫聚苯乙烯和可生物降解塑料）在海洋環(huán)境中浸泡不同時(shí)間后，真菌群落的定植動(dòng)態(tài)和生物降解潛力。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了真菌在塑料污染生物修復(fù)中的潛在作用，并指出了需要進(jìn)一步探索的領(lǐng)域。海洋塑料污染是一個(gè)主要的環(huán)境威脅。在這種情況下，更好地了解能夠定植并可能降解這些污染物的微生物是很有意義的。本研究以布雷斯特碼頭（法國(guó)）為模型地點(diǎn)，探討了真菌群落在浸泡在碼頭環(huán)境中的泡沫聚苯乙烯和替代生物降解塑料上隨著時(shí)間的推移的定殖和生物降解潛力。該方法結(jié)合了高通量18S rRNA基因擴(kuò)增子測(cè)序，以研究與周?chē)Ｋ啾扰c塑料相關(guān)的真菌類(lèi)群，以及依賴(lài)培養(yǎng)的方法來(lái)分離環(huán)境相關(guān)真菌，以進(jìn)一步評(píng)估其利用聚合物作為碳源的能力。本研究中，oCelloScope被用于觀察和分析真菌在不同塑料補(bǔ)充條件下培養(yǎng)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)oCelloScope可以觀察到真菌在特定塑料補(bǔ)充條件下的菌絲網(wǎng)絡(luò)、孢子鏈和分生孢子等結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)的觀察對(duì)于評(píng)估真菌利用塑料作為碳源的能力至關(guān)重要。元條形碼結(jié)果強(qiáng)調(diào)了與泡沫聚苯乙烯和可生物降解塑料相關(guān)的真菌群落的顯著多樣性，揭示了受聚合物類(lèi)型和浸泡時(shí)間影響的動(dòng)態(tài)定殖過(guò)程。值得注意的是，該研究表明某些真菌物種有利用聚合物作為碳源的潛力，強(qiáng)調(diào)需要進(jìn)一步探索真菌生物降解潛力和機(jī)制。
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