Effect of TiO2 and CeO2 nanoparticles on the metabolic activity of surficial sediment microbial communities based on oxygen microelectrodes and high-throughput sequencing

基于氧微電極和高通量測序的二氧化鈦和CeO2納米顆粒對表層沉積物微生物群落代謝活性的影響

來源：《Water Research》期刊（2018年，卷129，頁287-296）

 

論文總結(jié)

研究了金屬氧化物納米顆粒（MNPs，如TiO2和CeO2）對淡水沉積物表層微生物群落代謝活性的影響。研究通過結(jié)合氧微電極測量、酶活性分析和高通量測序技術(shù)，系統(tǒng)評估了MNPs在沉積物-水界面（SWI）的生物地球化學(xué)效應(yīng)，為MNPs的環(huán)境風(fēng)險評價提供了新見解。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，金屬氧化物納米顆粒（MNPs）如TiO2和CeO2在水生生態(tài)系統(tǒng)中的潛在生態(tài)風(fēng)險日益受到關(guān)注，沉積物是MNPs的主要匯。盡管已有研究探討了MNPs對淡水和河口沉積物微生物群落的影響，但MNPs對表層沉積物微生物群落代謝活性及相關(guān)生物地球化學(xué)條件的影響尚不明確。本研究通過微宇宙實(shí)驗(yàn)，單次添加TiO2或CeO2 NPs（5 mg/L），使用氧微電極、酶活性測量和高通量測序分析微生物響應(yīng)。結(jié)果顯示：

 

MNPs在淡水環(huán)境中快速沉降，高達(dá)85%積累在表層沉積物（<5 mm）。

微電極剖面顯示，MNP處理后的沉積物中氧濃度隨深度增加下降更慢，表明氧消耗被抑制。

在最表層沉積物（0-1500 μm），生物氧消耗顯著被MNPs抑制，CeO2 NPs的急性毒性比TiO2 NPs更強(qiáng)。

 

高通量測序表明，MNP暴露增加了細(xì)菌多樣性并改變了群落結(jié)構(gòu)，好氧菌屬（如Methylotenera、Cytophagceae_uncultured）和兼性菌屬（如Cyanobacteria_norank）豐度減少，這直接導(dǎo)致微生物介導(dǎo)的氧消耗抑制。

總之，短期MNP暴露對底棲微生物代謝活性有負(fù)面影響，可能干擾沉積物-水界面的生物地球化學(xué)功能。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是探究MNPs（TiO2和CeO2）對表層沉積物微生物群落代謝活性的影響，重點(diǎn)關(guān)注：

 

MNPs的環(huán)境行為：評估MNPs在沉積物中的沉降、積累和分布模式。

氧消耗動態(tài)：量化MNPs對微生物氧消耗的抑制效應(yīng)，并比較不同MNPs的毒性差異。

微生物群落響應(yīng)：分析MNP暴露下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性和功能的變化。

 

機(jī)制闡釋： linking化學(xué)環(huán)境變化（如氧剖面）與微生物代謝活動，為MNPs的環(huán)境風(fēng)險提供機(jī)制依據(jù)。

 

3. 研究思路

研究采用了微宇宙實(shí)驗(yàn)與多技術(shù)聯(lián)用的綜合 approach：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：從太湖竹山灣采集沉積物和過覆水，建立微宇宙系統(tǒng)。添加MNPs（TiO2或CeO2，5 mg/L）并設(shè)置對照（無添加）和滅菌對照（ abiotic control）。

MNPs行為表征：通過SEM、動態(tài)光散射（DLS）和ICP-MS分析MNPs的膠體穩(wěn)定性、沉降速率和在沉積物中的分布（圖1）。

 

氧微電極測量：使用丹麥Unisense氧微電極（ tip diameter 100 μm）以高分辨率（100 μm間隔）測量沉積物-水界面的氧濃度垂直剖面，計(jì)算氧消耗速率和通量（圖2、3、4）。

 

 

 

微生物分析：

 

酶活性測量：檢測熒光素二乙酸酯水解酶（FDA）、脫氫酶（DHA）、堿性磷酸酶（APA）和脲酶（UE）活性（補(bǔ)充圖S7）。

細(xì)菌豐度：通過qPCR定量16S rRNA基因拷貝數(shù)（補(bǔ)充圖S6）。

 

高通量測序：對16S rRNA基因V4-V5區(qū)進(jìn)行Illumina測序，分析細(xì)菌多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能組（圖5、6；表S4）。

 

 

數(shù)據(jù)整合：使用統(tǒng)計(jì)方法（如PCA、ANOVA）和模型（如PROFILE軟件）關(guān)聯(lián)環(huán)境變量與微生物響應(yīng)。

 

4. 測量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數(shù)據(jù)，其來源和意義如下：

 

MNPs膠體行為和沉積物分布（來自 圖1）

 

數(shù)據(jù)：MNPs在過覆水中的沉降曲線（圖1A）和沉積物中Ti/Ce濃度的垂直分布（圖1B）。

 

研究意義：證實(shí)MNPs快速沉降并積累在表層沉積物（<5 mm），這使表層微生物成為主要暴露對象，為后續(xù)代謝效應(yīng)分析提供了空間背景。

 

氧微電極剖面（來自 圖2、3、4）

 

數(shù)據(jù)：沉積物-水界面氧濃度的垂直微剖面（毫米至微米分辨率），顯示氧滲透深度和消耗速率。

 

研究意義：直接揭示了MNPs對氧消耗的抑制效應(yīng)。處理后氧滲透深度增加（從~2500 μm增至3300 μm for TiO2, 2800 μm for CeO2），氧通量降低（22.7% for TiO2, 32.2% for CeO2），表明微生物有氧呼吸被抑制。CeO2 NPs毒性更強(qiáng)，提示NP類型依賴性效應(yīng)。

 

細(xì)菌豐度和酶活性（來自 補(bǔ)充圖S6、S7）

 

數(shù)據(jù)：總細(xì)菌16S rRNA基因拷貝數(shù)（無顯著變化）和酶活性（如UE活性顯著降低 for CeO2）。

 

研究意義：表明MNPs影響微生物代謝功能而非總生物量，酶活性變化提示氮循環(huán)等生物地球化學(xué)過程可能被擾動。

 

細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)（來自 圖5、6）

 

數(shù)據(jù)：門水平相對豐度（圖5A）、PCA分析（圖5B）和代謝類型分布（好氧、兼性、厭氧細(xì)菌，圖6）。

 

研究意義：顯示MNPs改變了群落組成和功能。好氧菌（如Methylotenera）和兼性菌（如Cyanobacteria_norank）豐度減少，厭氧菌增加，這解釋了氧消耗抑制的微生物機(jī)制。多樣性增加但結(jié)構(gòu)偏移，表明MNPs可能促進(jìn)某些耐受菌群。

 

相關(guān)性分析（來自文本和附表）

 

數(shù)據(jù)：環(huán)境變量（如氧濃度、MNPs濃度）與微生物群落的相關(guān)性。

 

研究意義：建立了MNPs暴露-氧消耗抑制-群落變化之間的因果鏈，支持MNPs通過改變化學(xué)環(huán)境間接影響微生物代謝。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

MNPs積累在表層沉積物：添加后5天內(nèi)，高達(dá)85%的MNPs沉降并積累在沉積物頂部5 mm內(nèi)，主要影響表層微生物群落。

氧消耗被抑制：MNPs顯著降低了微生物介導(dǎo)的氧消耗速率和通量，CeO2 NPs比TiO2 NPs更具毒性，氧滲透深度增加。

群落結(jié)構(gòu)改變：MNP暴露增加了細(xì)菌多樣性但改變了群落組成，好氧和兼性細(xì)菌豐度減少，厭氧細(xì)菌增加，這直接導(dǎo)致氧消耗能力下降。

代謝活性受損：短期暴露（5天）對微生物代謝活性有負(fù)面影響，可能影響沉積物-水界面的生物地球化學(xué)循環(huán)（如有機(jī)質(zhì)降解、營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化）。

 

環(huán)境啟示：MNPs的環(huán)境風(fēng)險取決于NP類型和暴露濃度，需關(guān)注其對微生物驅(qū)動過程的長期效應(yīng)。

 

6. 詳細(xì)解讀：Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的氧微電極進(jìn)行了關(guān)鍵的原位測量，這些數(shù)據(jù)在圖2、3、4中呈現(xiàn)。

測量數(shù)據(jù)：Unisense微電極以高空間分辨率（100 μm間隔）測量了沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）濃度垂直剖面，并在多個時間點(diǎn)（0-5天）監(jiān)測了動態(tài)變化。數(shù)據(jù)包括氧濃度梯度、氧滲透深度和計(jì)算出的氧消耗速率。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

提供高分辨率氧動力學(xué)證據(jù)：Unisense微電極的毫米級至微米級分辨率使其能夠“捕捉”到沉積物中氧濃度的細(xì)微變化，這是傳統(tǒng)采樣方法（如孔隙水提取）無法實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)顯示，MNP處理后氧濃度隨深度下降更慢（圖2b、c），氧滲透深度增加，這直接證明了MNPs抑制了微生物有氧呼吸，因?yàn)榛瘜W(xué)氧消耗在滅菌對照中無變化（圖3）。

量化生物氧消耗抑制：通過數(shù)值模型（如PROFILE軟件）計(jì)算氧消耗速率，發(fā)現(xiàn)MNPs處理組在表層沉積物（0-1500 μm）的氧消耗速率顯著降低（圖4）。這首次量化了MNPs對微生物代謝活性的抑制程度，CeO2 NPs的抑制效應(yīng)更強(qiáng)（氧通量降低32.2%），表明NP化學(xué)組成影響毒性。

區(qū)分生物與化學(xué)過程：通過比較生物活性沉積物和滅菌沉積物，微電極數(shù)據(jù)確認(rèn)氧消耗變化主要源于微生物活性改變而非化學(xué)氧化（如MNPs本身氧化劑效應(yīng)）。這強(qiáng)調(diào)了MNPs的生物毒性機(jī)制。

支持群落變化機(jī)制：氧微電極數(shù)據(jù)與高通量測序結(jié)果一致：氧消耗抑制與好氧菌豐度減少（如Methylotenera）相關(guān)（圖6）。這建立了“MNP暴露→氧環(huán)境改變→微生物群落重構(gòu)”的因果鏈，表明MNPs通過創(chuàng)造更還原的環(huán)境（氧減少）促進(jìn)了厭氧菌生長，抑制了好氧代謝。

揭示空間異質(zhì)性：微電極剖面顯示了沉積物中氧消耗的垂直分帶（如0-1500 μm層消耗最強(qiáng)），這幫助定位了MNPs效應(yīng)的熱點(diǎn)區(qū)域（表層），與MNPs積累數(shù)據(jù)（圖1）吻合。

 

技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用價值：Unisense微電極的原位、實(shí)時測量能力避免了采樣擾動，提供了更真實(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)。這突出了高分辨率傳感技術(shù)在環(huán)境微生物學(xué)研究中的重要性，尤其用于評估污染物對微尺度生物地球化學(xué)過程的影響。

 

綜上所述，Unisense氧微電極在本研究中扮演了 “環(huán)境生理學(xué)監(jiān)測器”的角色。其提供的高精度氧數(shù)據(jù)不僅是描述性參數(shù)，更是揭示MNPs毒性機(jī)制、量化代謝抑制、鏈接化學(xué)與生物響應(yīng)的核心證據(jù)。沒有這些數(shù)據(jù)，MNPs對微生物氧消耗的抑制效應(yīng)無法被直接證實(shí)，研究結(jié)論的可靠性將大打折扣。這項(xiàng)研究展示了微電極技術(shù)在環(huán)境納米毒理學(xué)中的強(qiáng)大應(yīng)用潛力。