挺水植物菖蒲根区沉积物细菌群落结构和功能特征分析

陶苗苗; 李亚楠; 宋海涯; 李维斌; 周晓红; 许小红

doi:10.7524/j.issn.0254-6108.2024010603

挺水植物菖蒲根区沉积物细菌群落结构和功能特征分析

1.
江苏大学环境与安全工程学院，镇江，212013
2.
江苏大学应急管理学院，镇江，212013

通讯作者: E-mail：xhzhou0214@ujs.edu.cn;

基金项目:
国家自然科学基金（31971472）和西藏自治区重点研发计划（XZ202301ZY0002N）资助.
中图分类号: X-1; O6

The structural and functional characteristics of the sedimentary bacterial community in the root area of Acorus calamus

1.
School of Environmental and Safety Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang, 212013, China
2.
School of Emergency Management of Jiangsu University, Zhenjiang, 212013, China

Corresponding author: ZHOU Xiaohong, xhzhou0214@ujs.edu.cn ;

Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (31971472) and the Science and Technology Plan Projects of Tibet Autonomous Region (XZ202301ZY0002N).

摘要: 挺水植物根区是湖泊等淡水生态系统物质循环最为活跃的微生态区域之一. 为了进一步明确挺水植物在不同生长阶段对根区沉积物微生物的影响，本论文以挺水植物菖蒲（Acorus calamus）为研究对象，构建室外盆栽实验系统，采集实验第35、105和175 天时菖蒲根区及无植物对照系统沉积物样品，研究菖蒲生长发育对根区沉积物细菌群落及功能的影响. 结果表明，菖蒲根区沉积物共检测OTUs数量11659个，无植物的沉积物样品获得OTUs数量为10337个. 基于OTUs结果的分析发现，菖蒲根区沉积物Shannon、Sobs、ACE和Chao指数平均值表现为CA>CK；相比于对照组而言，菖蒲根区独有的OTUs数量略高，意味着菖蒲生长可能会丰富根区沉积物细菌的物种组成，尤其是对于细菌群落中相对丰度占比较小的物种产生显著影响；通过FAPROTAX对菖蒲根区及对照系统沉积物细菌代谢及生态功能进行注释，共得到67种细菌群落功能类型，以化能异养、需氧化能异养、发酵、固氮作用、光合自养、亚硝酸盐还原功能等类群为主，菖蒲的生长将提高氮循环功能类群的相对丰度从而对沉积物氮循环过程产生一定的影响，且这种影响将随菖蒲的不同生长阶段而有所变化. 沉积物理化参数是驱动菖蒲根区细菌群落的关键因子.
- 菖蒲 /
- 根区 /
- 沉积物 /
- 细菌群落 /
- 功能预测.
Abstract: The root zone of emergent plants is one of the most active microecological regions for nutrients biogeochemical cycles in freshwater ecosystems. To further clarify the influence of different growth stages of emergent plants on the bacterial community and function in their root zone, Acorus calamus was chosen and used to construct the outdoor experiment system in this study. The sediments samples were collected from both Acorus calamus' root zone and the control system (non-plant sediment) on the 35, 105 and 175 days, respectively. A total of 11659 and 10337 OTUs were detected in Acorus calamus and control groups, respectively. The average values of Shannon, Sobs, ACE and Chao indexes were CA>CK. The number of unique OTUs in Acorus calamus root zone sediments was higher than in the non-plant control system. This suggests that plant growth may enrich the bacteria composition in their root zone, especially for the lower relative abundance species in the bacterial community. A total of 67 functional types of bacteria were predicted by FAPROTAX from the Acorus calamus root zone sediment and non-plant sediment. The main functional groups are chemoheterotrophic, aerobic heterotrophic, fermentation, nitrogen fixation, photosynthetic autotrophic, and nitrite reduction. The growth of Acorus calamus has the potential to increase the relative abundance of nitrogen cycling functional groups and have a certain impact on the nitrogen cycling process in sediment. This influence will vary with different growth stages of Acorus calamus. The bacterial community was influenced by the physicochemical parameters of the sediment in the root zone of Acorus calamus.
- Acorus calamus /
- root zone /
- sediment /
- bacterial community /
- function

粒径小于5 mm的微塑料已引起专家的广泛关注^[1]，成为水环境管理的新问题。微塑料可分为原生微塑料和次生微塑料两种。原生微塑料是指化妆品中的微珠或工业树脂颗粒^[2]。次生微塑料是由大块塑料经过太阳光照、风、水浸等过程的作用下分解成的塑料颗粒或纤维^[3]。大量微塑料长期存在于水体中，容易被浮游生物食入腹中，导致生物行为异常或死亡^[4]。此外，微塑料还可经过食物链进行传递，并在生物群落中累积，最终可能危害人类健康^[5-6]。微塑料具有粒径小、比表面积大、疏水性强等特性，易成为水环境中有机污染物的运输载体，导致污染扩散^[7-8]。

微塑料对有机污染物的吸附性能不仅与微塑料和污染物的性质有关，还与外界环境条件有关^[9]。Rochman等^[10]指出，有机污染物在橡胶塑料上比玻璃塑料具有更高的吸附亲和力。Liu等^[11]发现，PET表面的羰基与氯酚表面的羟基之间会产生氢键。随着pH值从4降到2，大量的H₃O⁺会与氯苯酚争夺吸附位点，降低聚对苯二甲酸乙二醇酯对氯酚的吸附量。Zhang等^[12]研究发现，腐植酸可作为风化后的聚苯乙烯表面和土霉素分子之间的桥梁，促进聚苯乙烯对土霉素的吸附。Zhang等^[13]研究发现，阳离子Na⁺和Ca²⁺会与9-硝基蒽竞争 PP和PS表面的吸附位点。Yu等^[14]研究了微塑料与四环素在水溶液中的吸附作用，当溶液中存在Cu²⁺时聚乙烯对四环素的吸附量会减小，这可能与聚乙烯和四环素形成的胶层表面电位有关。微塑料与有机污染物之间的交互作用是一个有研究意义的课题。

随着纺织业和染色工业的飞速发展，染料废水污染在许多发展中国家仍然是显著的。亚甲基蓝（MB）作为最常见的染料污染物，其具有高毒性，致癌性和诱变效应，对水生生物已构成严重威胁^[15]。水体中的微塑料容易积累这些染料污染物，携带有机染料的微塑料可能对水生生物产生更大的毒害作用。现今关于微塑料富集MB的研究还非常有限。因此，需要进一步探究废旧微塑料与MB的作用机理，为评估其潜在的环境风险提供理论依据。

本文以MB为染料污染物的典型代表，以聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的3种具有不同官能团的聚合物为微塑料的典型代表，研究不同微塑料对MB的吸附行为及溶液pH、盐度、腐殖酸浓度、微塑料粒径、温度和自然水样对微塑料吸附MB的影响。采用扫描电镜、zeta电位、比表面积测试、红外光谱对微塑料的性能进行表征，旨在研究微塑料性能对MB吸附的影响，进一步研究有机染料与微塑料之间的交互作用机理，为科学评价微塑料复杂的环境行为以及作为载体协同迁移污染物的能力提供依据。

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 材料

分析纯的MB标准品购自天津市科密欧化学试剂有限公司。分析纯的氢氧化钠（NaOH）和氯化钠（NaCl）、纯度 > 90%的腐殖酸（HA）和浓度为37%的盐酸（HCl）购自国药控股化学试剂有限公司。废旧PS、PVC和PMMA塑料来源于湖南省汨罗市废旧塑料回收市场。将废旧塑料放入高速粉碎机中，粉碎的塑料颗粒依次通过10目、18目、40目、120目和200目的筛网，收集粒径范围为 0.074—0.125 mm、0.125—0.425 mm、0.425—1 mm和1—2 mm的颗粒。将制得的废旧微塑料用去离子水和乙醇洗净3次，烘干得到清洁的微塑料粉末。实验中使用的微塑料粒径为0.074—0.125 mm，其他粒径仅用于研究微塑料粒径对吸附的影响。

1.2 实验仪器

通过扫描电镜（SM-74190UEC，日本）分析PS、PVC和PMMA微塑料的表面形态；通过X射线衍射仪（XRD-7000S/L，日本）检测微塑料的结晶度；通过比表面积测试仪（ASAP 2460，美国）分析微塑料的比表面积；通过Zeta电位分析仪（JS94，中国上海）检测不同pH下微塑料的表面电位；通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR-650S，中国天津）分析3种微塑料吸附MB前后的官能团变化。

1.3 吸附实验

1.3.1 动力学实验

称取PS、PVC和PMMA微塑料25 mg放入25 mL的棕色玻璃瓶中，加入配制好的5 mg·L⁻¹ 的MB溶液20 mL，将所有样品置于25 ℃、180 r·min⁻¹的恒温水浴振荡器中，在相应时间取样，将样品经过0.22 μm的膜过滤后，用紫外分光光度计测量滤液浓度。每组实验重复3次，并设置空白对照组。

1.3.2 等温线实验

称取PS、PVC和PMMA微塑料25 mg放入25 mL的棕色玻璃瓶中，分别加入配制好的6个MB溶液浓度梯度（1、3、5、10、15、 20 mg·L⁻¹）。将所有样品置于25 ℃、180 r·min⁻¹的恒温水浴振荡器中。当吸附达到平衡时，将样品取出，经过0.22 μm的膜过滤后，用紫外分光光度计测量滤液浓度。每组实验重复3次，并设置空白对照组。

1.3.3 环境因素影响

研究环境因素对吸附的影响时仍将MB的浓度设置为5 mg·L⁻¹，PS、PVC和PMMA微塑料的质量为25 mg。除温度实验外，其余实验样品仍置于25 ℃、180 r·min⁻¹的水浴振荡，当吸附达到平衡时取出。为研究pH对吸附的影响，只通过HCl和NaOH将MB溶液的pH调为6个梯度（3.0、4.0、5.0、7.0、8.0、9.0）；为研究盐度对吸附的影响，只往MB溶液中加入NaCl将盐度调为 0.5%、1%、2%、3%、3.5%；为研究腐殖酸对吸附的影响，只往MB溶液中加入1、5、10、15、20 mg·L⁻¹的腐殖酸；为研究温度对吸附的影响，分别在15、25、35、45 ℃的条件下进行吸附实验；为了研究自然环境水样中微塑料的实际吸附量，取用湘江水（pH为7.62、总有机碳 (TOC) 为2.203 mg·L⁻¹）配制5 mg·L⁻¹的MB溶液。每组实验重复3次，并设置空白对照组。

1.4 吸附模型

PS，PVC和PMMA微塑料对MB的吸附动力学实验分别用用准一级动力学模型（1）、准二级动力学模型（2）进行拟合；等温吸附实验数据分别通过Freundlich模型（3）和Langmuir模型（4）进行拟合。

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$(1)$

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$(2)$

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$(3)$

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$(4)$

式中， $t$ 为吸附时间，h； ${q}_{t}$ 为 $t$ 时间的吸附量，mg·g⁻¹； ${q}_{e}$ 为吸附平衡时的吸附量，mg·g⁻¹； ${K}_{\mathrm{d}1}$ 为准一级动力学常数，h⁻¹ ； ${K}_{\mathrm{d}2}$ 为准二级动力学常数，g·(mg·h)⁻¹； ${C}_{e}$ 为吸附达到平衡时溶液浓度，mg·L⁻¹； $n$ 为吸附相关常数； ${K}_{F}$ 为Freundlich模型经验常数，(mg·g⁻¹) (L·g⁻¹) ^1/n； ${K}_{L}$ 为Langmuir模型吸附常数，L·mg⁻¹； ${q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ 为饱和吸附量，mg·g⁻¹。

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 微塑料的表征

从电镜图1中可见，PS、PVC和PMMA具有不同的形状和表面形貌。3种微塑料都呈不规则几何形状。PS微塑料的表面孔隙较少，PVC表面褶皱较多，PMMA表面较PS和PVC更粗糙。为了进一步了解微塑料表面性质，对3种微塑料的比表面积进行了检测。PMMA的比表面积为0.183 m²·g⁻¹，PVC的比表面积为0.153 m²·g⁻¹，PS的比表面积为0.109 m²·g⁻¹。这与3种微塑料的形态总体保持一致。通过X射线衍射仪对PS、PVC和PMMA微塑料的结晶度进行表征。从图2a中可知，3种微塑料的结晶度都相对较低。zeta电位是微塑料重要的表面电化学性质，其对有机污染物吸附有显著影响。图2b显示了微塑料表面电位随pH的变化趋势。PS、PVC和PMMA微塑料的zeta电位随pH的增加而降低，且只在pH = 3时微塑料表面带正电，其他实验条件下带负电。

图 1 PS、PVC和PMMA微塑料在1 μm和10 μm下的电镜图。

Figure 1. SEM images of 1 μm and 10 μm PS，PVC, and PMMA microplastics.

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图 2 PS、PVC和PMMA的XRD图 (a)，PS、PVC和PMMA的zeta电位图(b)。

Figure 2. The XRD pattern of PS, PVC, and PMMA (a), zeta potential pattern of PS, PVC, and PMMA (b).

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2.2 吸附动力学

PS、PVC和PMMA微塑料对MB的吸附动力学实验结果如图3a所示。3种微塑料对MB都表现出一定的吸附性能。实验开始后，MB的吸附量迅速增加，然后随着时间推移，吸附量缓慢增加，并在24 h达到平衡。

图 3 微塑料对MB的吸附动力学实验数据(a)、一级线性模型(b)和二级线性模型(c)。

Figure 3. Adsorption kinetic experimental data of MB sorption onto microplastics (a), linear plots on pseudo-first-order model (b), and pseudo-second-order model (c).

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微塑料对MB的吸附能力顺序分别为PMMA > PVC > PS，最大吸附量分别为1.988、1.594、1.419 mg·g⁻¹。为了进一步明确吸附过程，分别用准一级、二级动力学模型对实验结果进行拟合，拟合结果及相关参数见图3b、3c和表1。准一级模型是指主要受物理扩散控制的吸附过程。拟合后的一级方程的线性回归系数R²在0.987—0.989范围内，由方程得到的MB在PS、PVC和PMMA的平衡吸附量低于实际吸附量。可见，MB在PS、PVC和PMMA上的吸附动力学不符合准一级动力学模型，物理扩散不是主要的吸附机理。二级模型是指以化学吸附为主的吸附过程^[16]。拟合后的二级方程线性回归系数R²均大于0.999，且基于二级模型计算得到的吸附量与实验平衡吸附量更相符。这表明MB在这3种微塑料上的吸附过程可以用二级模型来描述。因此这3种微塑料对MB的吸附主要受化学吸附控制。

表 1 MB在PS、PVC和PMMA微塑料上的吸附动力学参数。

Table 1. The adsorption kinetic parameters of MB on PS, PVC, and PMMA.

微塑料Microplastics	准一级动力学Pseudo-first-order				准二级动力学Pseudo-second-order
微塑料Microplastics	q_e,exp/(mg·g⁻¹)	q_e,cal/(mg·g⁻¹)	K_d1/h⁻¹	R²	q_e,cal/(mg·g⁻¹)	K_d2/(g·(mg·h)⁻¹)	R²
PS	1.419	1.204	0.082	0.989	1.597	1.096	0.999
PVC	1.594	1.357	0.087	0.987	1.836	0.822	0.999
PMMA	1.988	1.478	0.100	0.989	2.182	0.295	0.999

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2.3 吸附等温线

PS、PVC和PMMA微塑料对MB的吸附等温线如图4a所示。随着平衡浓度的增大，3种微塑料对MB的吸附量均增加，且相应曲线斜率渐渐变小。微塑料对MB的吸附是MB从水溶液中不断向微塑料固体表面迁移的过程，当微塑料表面的吸附位点饱和后，吸附会趋于平衡。为了进一步了解吸附机理，分别用Langmuir和Freundlich模型对MB在微塑料上的吸附数据进行拟合，拟合结果和等温参数如图4b、4c和表2所示。Freundlich模型的相关系数R²值范围为0.920—0.936。Langmuir模型中PS、PVC和PMMA的相关系数R²分别为0.993、0.993和0.996。因此微塑料对MB的吸附可以很好的符合Langmuir模型。Freundlich 等温吸附是不局限于单分子层的非均匀性吸附，Langmuir等温吸附是指对所有位点对吸附剂具有相同亲和力的单分子层吸附^[17]。由此可知，微塑料对MB的吸附为单分子吸附。

图 4 微塑料对MB的吸附等温实验数据(a)、Langmuir模型(b)和Freundlich模型(c)。

Figure 4. Adsorption isotherm experimental data of MB sorption onto microplastics (a), linear plots on Langmuir model (b), and Freundlich model (c).

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表 2 MB在PS、PVC和PMMA微塑料上的等温吸附实验参数。

Table 2. The adsorption isotherm parameters of MB on PS, PVC, and PMMA.

微塑料Microplastics	Langmuir 模型Langmuir model			Freundlich 模型Freundlich model
微塑料Microplastics	q_max/(mg·g⁻¹)	K_L/(L·mg⁻¹)	R²	n	K_F/(mg·g⁻¹)(L·g⁻¹)^1/n	R²
PS	2.872	0.245	0.993	0.489	0.613	0.920
PVC	3.721	0.207	0.993	0.526	0.688	0.927
PMMA	4.407	0.288	0.996	0.505	0.979	0.936

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2.4 pH对吸附的影响

图5a为pH值对3种微塑料吸附行为的影响。如图5所示，微塑料对MB的吸附量顺序仍然为PMMA > PVC > PS。随着pH（3—9）的增加，3种微塑料对MB的吸附量逐渐增加。因此，这3种微塑料在偏碱性条件下更易富集水中的MB。Li等^[18]研究发现碱性水环境条件有利于聚乙烯微塑料对吡虫啉、噻虫嗪、二甲诺康唑的吸附。Bakir等^[19]证实低pH值会增加微塑料表面污染物的解吸，从而减少微塑料对有机污染物的吸附。

图 5 pH (a) 、盐度(b) 、HA浓度(c) 、微塑料粒径(d) 、温度(e)和湘江水样(f)对微塑料吸附MB的影响。

Figure 5. The effect of pH (a), salinity (b), the concentration of HA (c), particle size (d), temperature (e), and Xiang River water (f) of MB adsorbed on microplastics.

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pH是水环境中的一个基本变量，它会影响微塑料的表面电位，进而影响微塑料对MB的吸附行为。由图2b可知PS的零电荷点为3.09，PVC的零电荷点为3.93，PMMA的零电荷点为3.06。当溶液pH低于零电荷点时，微塑料带正电，微塑料与溶液中的MB会产生静电斥力，抑制微塑料对MB的吸附^[20]。当溶液pH高于零电荷点时，微塑料表面带负电荷。随着pH的增大，3种微塑料表面负电荷增加。带负电荷的微塑料会与阳离子染料MB之间会产生静电引力，促进微塑料对MB的吸附。因此，静电相互作用在微塑料对MB的吸附中起着重要作用。

2.5 盐度对吸附的影响

NaCl在河流、湖泊和海洋等水环境中广泛存在，对微塑料对有机污染的富集具有重要的影响^[13]。图5b显示了盐度对MB在3种微塑料上吸附的影响。盐度从0增加到3.5%时，微塑料对MB的吸附量逐渐减少。Qiu等^[21]研究了5种多卤咔唑对PE、PP、PVC的吸附行为，也发现多卤咔唑的吸附量随着盐度的增加而降低。NaCl的存在可能会中和微塑料表面吸附部位的负电荷，从而减少微塑料与MB之间的静电相互作用。此外，微塑料附近的Na⁺可能会与游离的MB竞争微塑料表面的吸附位点，从而抑制MB的吸附。NaCl的加入还可能提高水溶液的密度和粘度，从而阻碍了MB从水相向微塑料固相的转移^[22]。上述讨论说明，PS、PVC和PMMA微塑料在淡水环境中比在海水中更易富集某些有机污染物。

2.6 腐殖酸浓度对吸附影响

腐殖酸中含有丰富的官能团，它们可与天然颗粒或有机污染物相互作用，从而影响微塑料对有机污染物的富集。图5c显示了腐殖酸浓度对MB在3种微塑料上吸附的影响。随着腐殖酸浓度从0增加到20 mg·L⁻¹, PS、PVC和PMMA微塑料对MB的吸附量分别从1.419 mg·g⁻¹降至0.238 mg·g⁻¹，1.594 mg·g⁻¹降至0.615 mg·g⁻¹，1.988 mg·g⁻¹降至0.717 mg·g⁻¹。即使只添加1 mg·L⁻¹的HA，也能显著降低微塑料的吸附能力，说明腐植酸对MB在微塑料上的吸附有显著的抑制作用。Abdurahman等^[23]研究发现，腐殖酸会通过疏水作用和π–π相互作用富集在聚苯乙烯微塑料表面。因此溶液中的腐殖酸可能会与MB竞争微塑料表面的吸附位点，从而抑制微塑料对MB的吸附。此外，含氧官能团丰富的腐殖酸还可能通过络合作用和氢键作用与MB分子结合^[24]。一般自然水环境中腐殖酸浓度约为4—10 mg·L⁻¹，这些腐殖酸易与有机污染物竞争微塑料表面的吸附位点。

2.7 微塑料粒径对吸附的影响

不同粒径的PS、PVC和PMMA微塑料对MB的吸附性能如图5d所示。PS、PVC和PMMA微塑料的粒径对MB的吸附有显著影响，吸附量随粒径的增大而减小。这可能是因为粒径较小的PS、PVC和PMMA微塑料具有较大的比表面积，从而增强了它们对MB的吸附能力。Yu等^[14]研究PE、PS和 PVC微塑料对四环素的吸附时也发现，小粒径的微塑料对有机污染物具有更好的亲和力。针对微塑料吸附的研究多使用粒径比较大（> 74 μm），但现实环境中的微塑料经过自然老化、风化作用下，可能会以更小的粒径形式存在于自然环境中，这些微小的聚合物，能富集更多的有机污染物。

2.8 温度对吸附的影响

温度是影响MPs吸附有机污染物的关键因素之一。从图5e可以看出，温度对不同微塑料吸附MB的影响不同。PVC和PMMA对MB的吸附量随着温度的升高逐渐增大。当温度从15 ℃升高到25 ℃时，PS对MB的吸附量随着温度的升高而增加。当温度高于25 ℃时，PS的吸附能力随温度的升高而减小。一方面随着温度的升高，微塑料内部链之间的距离会增大，有利于有机污染物在聚合物上的扩散^[25]。另一方面微塑料与MB之间的范德华力会随着温度的升高而减小，在高温下MB与微塑料表面之间的氢键可能被破坏^[26]。温度对PS、PVC和PMMA微塑料吸附MB的影响不同可能是不同类型微塑料对MB的吸附机理不同所致。PS微塑料对MB的吸附可能受氢键影响较大，而对于PVC和PMMA对MB的吸附可能受氢键影响较小。上述结果说明在水温稍高的环境下PVC和PMMA微塑料表面更易富集MB，而室温环境相对于高温环境更有利于PS对MB的吸附。

2.9 自然水环境中微塑料对MB的吸附

为研究自然水环境中微塑料对MB的实际吸附效果，以湘江水样为溶剂，研究PS、PVC和PMMA 微塑料对MB的吸附行为。由图5d可知，相比于纯水体系，PS、PVC和PMMA微塑料在自然水环境下对MB的吸附能力有所下降，分别从1.419 mg·g⁻¹降至0.988 mg·g⁻¹，1.594 mg·g⁻¹降至1.170 mg·g⁻¹，1.988 mg·g⁻¹降至1.322 mg·g⁻¹。刘鹏等^[27]研究PS对环丙沙星的吸附时也发现，相对于超纯水体系，在天然水环境下微塑料的吸附性能明显降低，与本实验结果相符。湘江水的TOC为2.203 mg·L⁻¹，水中的有机物可能会与MB竞争微塑料表面的吸附位点从而降低微塑料对MB的吸附量^[23]。此外，湘江水样中也存在一些金属离子可能会与MB竞争微塑料上的吸附位点。虽然在自然水环境下微塑料对MB的吸附量有所降低，但微塑料表面仍然能富集不少MB，从而增加其环境风险。

2.10 微塑料对MB的吸附机制

微塑料作为载体可与水中的染料污染物结合而形成复合污染，增加污染物的环境危害性。因此，研究微塑料对有机污染物的吸附行为，对于评价微塑料复合污染在环境中的风险具有重要意义。为了进一步探究微塑料的吸附机理，通过红外光谱检测分析了3种微塑料吸附MB前后官能团的变化。

图6显示了PS、PVC和PMMA微塑料吸附MB前后的红外光谱。吸附前PS在3446 cm⁻¹处的峰值为O—H伸缩振动；3078、3024、2922、2848 cm⁻¹处为CH₂的振动；1558、1492、1447、1024、751 cm⁻¹处的峰属于芳香族环振动。吸附前PVC微塑料3442 cm⁻¹处的强峰对应O—H的振动；2964 cm⁻¹和2920 cm⁻¹为CH的拉伸;在1332 cm⁻¹的峰为CH₂的振动，在1124 cm⁻¹处对应C—C的振动。在688 cm⁻¹附近出现了一个强峰，这是由C—Cl的伸缩振动引起的；吸附前PMMA在3432、2850、1640、1462、1070 cm⁻¹处有吸收峰，分别对应于O—H伸缩振动、C—H振动、C=O弯曲振动、O—CH₃振动和C—O—C摇摆振动。吸附后3种微塑料都有出现一处新峰。在1628 cm⁻¹处的增强的峰可能对应于MB杂环的C=N和C=C振动^[28]。此外，PS微塑料的CH₂特征峰、PVC微塑料的CH₂和C—Cl特征峰、PMMA微塑料的O—CH₃和C—O—C特征峰在吸附后明显减弱，这可能是由于微塑料表面覆盖着一层MB，导致微塑料特征峰减弱。

图 6 吸附前后PS (a)、PVC (b)和PMMA (c)的红外光谱图。

Figure 6. FTIR spectra of PS (a), PVC (b), and PMMA (c) before and after adsorption.

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微塑料的化学成分、粒径、比表面积和官能团都对其吸附有机污染物的性能有显著影响。PMMA是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成，PVC由氯乙烯聚合而成，PS由苯乙烯聚合而成。3种微塑料的结晶度都比较低，结晶度低的聚合物链之间的距离有利于有机污染物在聚合物上的扩散^[25]。PS、PVC、PMMA塑料在环境中都易富集MB。3种微塑料对MB的吸附能力顺序为PMMA > PVC > PS。微塑料的粒径越小比表面越大，大的比表面积意味着微塑料表面有更多的吸附位点。微塑料的比表面积大小为PMMA（0.183 m²·g⁻¹）> PVC（0.153 m²·g⁻¹）> PS（0.109 m²·g⁻¹）。PMMA微塑料的表面相对粗糙，比表面积更大，因此MB更容易在PMMA的表面扩散。PMMA支链上的极性的酯基官能团，也可能是其对MB吸附能力最强的原因^[29]。赵楚云等^[30]研究不同微塑料对污染物吸附实验时也发现，PMMA微塑料具有较强的吸附性能。相比于PVC和PMMA，PS微塑料对MB的吸附量最低可能是因为PS塑料中苯环的存在对键的旋转有很强的空间位阻作用，降低了链间的自由体积。

除了不同类型的微塑料对MB的吸附性能不同之外，不同类型微塑料对MB的吸附机理也存在一定的差异。当pH = 3时，3种微塑料的表面带正电荷。微塑料与阳离子染料MB之间存在静电斥力。随着pH增大，微塑料表面所带的负电荷增多，微塑料与MB之间会产生静电吸引力。除了静电相互作用力之外，微塑料与MB之间也存在其他作用力。烷基与芳香环之间会产生CH/π相互作用的氢键^[31]。3种微塑料与MB之间可能也存在这种CH/π相互作用。随着温度从25 ℃升高到45 ℃，这种氢键容易断裂，导致PS微塑料吸附效率的下降。而PMMA和PVC的吸附性能则随着温度的升高而增大，说明这种氢键在PMMA和PVC对MB吸附中不起主导作用，PS对MB的吸附作用可能受氢键影响较大。微塑料的特殊官能团也可能对其吸附机理有影响。PMMA和PVC的极性相对较强，PMMA和PVC与MB之间存在极性相互作用。PVC微塑料上的氯原子与苯环上的π电子之间会形成卤素键^[32]。PS微塑料可以与含有苯环的MB产生π–π共轭相互作用。总的来说PMMA对MB的主要吸附机制可能是静电相互作用、CH/π相互作用和极性效应；PVC对MB的主要吸附机制可能是静电相互作用、CH/π相互作用、卤素键和极性效应；PS对MB的主要吸附机制可能是静电相互作用、CH/π相互作用和π–π相互作用。

3. 结论（Conclusion）

（1）3种微塑料对MB的吸附量为：PMMA > PVC > PS。微塑料的单体结构、比表面积和官能团的不同是导致其对MB的吸附能力不同的主要因素。

（2）准二级吸附动力学模型和Langmuir等温吸附模型较好的拟合了3种微塑料对MB的吸附过程，说明微塑料对MB的吸附为单分子层化学吸附。

（3）3种微塑料对MB的吸附都受到静电相互作用力和CH/π相互作用的影响。PMMA和PVC与MB之间存在极性作用。PVC对MB的吸附还受卤素键的影响，PS和MB之间存在π–π相互作用。

（4）溶液pH通过影响微塑料表面所带电荷进而影响吸附性能。NaCl和腐殖酸会与MB竞争微塑料表面的吸附位点。微塑料粒径越小，吸附性能越好。升高温度会促进PMMA和PVC对MB的吸附，却抑制PS对MB的吸附。相对于纯水体系，微塑料在湘江水环境下对MB的吸附能力明显下降。

图 1 菖蒲根区沉积物和对照组沉积物理化参数

Figure 1. The physicochemical characteristics of the sediment in the root area of Acorus calamus and the control group

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图 2 菖蒲根区沉积物及对照组沉积物细菌Alpha多样性指数

Figure 2. Bacterial alpha diversity index of the sediment in the root area of Acorus calamus and the control group

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图 3 细菌群落结构的非度量多维尺度分析（NMDS）

Figure 3. Non-metric multidimensional scaling analysis of bacterial community structure （NMDS）

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图 4 菖蒲根区沉积物及对照组沉积物细菌韦恩图和相对丰度柱形图

Figure 4. Venn diagram and the relative abundance of bacterial communities in the root area of Acorus calamus sediment and the control sediment

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图 5 基于FAPROTAX细菌功能预测

Figure 5. Prediction analysis of bacterial function based on FAPROTAX

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图 6 沉积物理化参数对细菌群落的影响

Figure 6. The influences of sedimental physicochemical parameters on bacterial communities

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1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 材料
1.2 实验仪器
1.3 吸附实验
1.4 吸附模型
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 微塑料的表征
2.2 吸附动力学
2.3 吸附等温线
2.4 pH对吸附的影响
2.5 盐度对吸附的影响
2.6 腐殖酸浓度对吸附影响
2.7 微塑料粒径对吸附的影响
2.8 温度对吸附的影响
2.9 自然水环境中微塑料对MB的吸附
2.10 微塑料对MB的吸附机制
3. 结论（Conclusion）

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挺水植物（emergent macrophytes），作为水生植物的重要类型以及淡水水域重要的初级生产力之一，对淡水生态系统具有重要作用. 挺水植物地上组织（茎和叶）挺出水面，而地下组织（根或根茎）一般生长于水陆交界处浅水区域沉积物中^{[1 − 2]}. 挺水植物主要从沉积物中获取生长所需营养物质^{[3 − 5]}，其庞大根系所在区域（根区）微生物数量和种类远高于非根区沉积物，形成明显的根际效应^{[6 − 8]}. 因此，挺水植物根区是沉积物-根系-微生物三者紧密结合相互影响的关键场所，其影响可归纳为以下方面：一方面，挺水植物通过其根系向沉积物输送氧气，促进了好氧条件下营养元素的物质循环^[9]. 如成水平等^[10]发现植物根系泌氧将增强硝化过程提高沉积物硝态氮（NO₃⁻-N）含量. 王文林等^[9]则报道菖蒲成株根系的氧扩散能力显著高于幼苗阶段，这可能与植物叶面积以及根系生物量、根表面积的大小等有密切关系. 可见，挺水植物的氧气扩散能力受物种以及生长阶段的强烈影响；另一方面，挺水植物的根系能释放超过200种的分泌物，如糖、氨基酸、有机酸等，这些分泌物不仅影响根区沉积物的微生境，还为沉积物微生物提供了碳源和营养物质^[11]，使根际微生物的数量及代谢活性远高于非根际沉积物^[12]. 因此，吴林坤等^[13]等认为，根系分泌物对根际微生物具有选择塑造作用，其群落结构的独特性与代表性将受植物物种差异以及生长阶段的影响. 可见，物种及其生长阶段将是影响挺水植物根区微生物的关键因子.

菖蒲（Acorus calamus），天南星科菖蒲属，典型的多年生挺水植物，广泛分布于河流、沼泽以及湖泊岸边等浅水水域. 菖蒲根系发达，对氮、磷等营养盐有很强的吸收能力^[2,9,14]，加之其形态美观，常被用于人工湿地或园林景观中^[7]. 近年来，关于菖蒲根区沉积物微生物已有一些研究报告. 如顾诗云等^[2]研究了淹水胁迫对菖蒲生理特性及其根际细菌群落特征的影响. 寄博华^[15]发现斗南湿地菖蒲植物群丛沉积物细菌群落的丰富度和多样性均最大，高于芦苇和美人蕉植物群从. 赵良元等^[16]通过90 d的培养发现，菖蒲的生长可大大提高沉积物中微生物的活性及多样性. 但现有研究均仅为短期内针对菖蒲的培养实验所获得的结果，对不同生长阶段菖蒲根区沉积物微生物的变化特征的认识仍十分不足.

本研究通过为期 175 d的培养时间，基于16S-rRNA高通量测序技术并结合FAPOTAX功能预测，探究菖蒲根区沉积物细菌群落结构和功能特征在三个生长阶段（生长期、成熟期、衰亡期）的差异，以期进一步阐明挺水植物的生长对其根区细菌群落结构及其功能组成的影响.

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1. 植物和沉积物准备

本研究所用菖蒲和沉积物采自江苏大学校内湖泊（119°30′23'' E，32°11′58'' N），所采植物株高约60 cm，块状茎保持完整. 采样完成后，将植物样品迅速带回实验室后，用自来水冲洗根系以及植物表面泥土等供后续实验所用；表层沉积物（0—20 cm）样品带回实验室后用不锈钢网（20目）先过滤掉大颗粒以及各种杂质，然后使用混合器彻底将所采沉积物样品混合均匀，以确保各实验系统沉积物初始状态一致.

1.2. 实验系统构建及样品采集

采用直径40 cm，深度60 cm的圆形桶作为实验容器. 首先在各实验桶中铺设预先混匀的30 cm厚沉积物，将所采植物种植于各实验桶（CA），随后沿桶壁注入自来水，注水深度为桶壁45 cm处；另设一组不种植植物的系统作为对照（CK，仅包含沉积物和水体）. 实验组和对照组分别设置3组重复. 实验过程中，定期补充各实验桶中自来水，以确保上覆水始终在同一深度. 实验于2022年5月—11月在室外培养（培养环境可以避免降雨的影响），共培养175 d.

实验第35、105和175 天时分别采集各实验桶内沉积物样品，按照菖蒲生长习性，这3次采样时间可代表菖蒲的旺盛生长期、成熟期和衰亡期. 采集的沉积物随机分成两部分，一部分经干燥、研碎、混匀、过100目筛，自封袋封装，于4 ℃保存，供沉积物理化指标测定，另一部分于 −25 ℃条件下保存用于沉积物NO₃⁻-N和微生物测定.

1.3. 沉积物理化指标测定

沉积物pH值（固水比为2.5：1）采用pH计测定（雷磁PHSJ-3F，INESA，上海）；沉积物全碳（TC）和总氮（TN）采用元素分析仪（Vario EL cube，德国）测定；沉积物硝态氮（NO₃⁻-N）和氨态氮（NH₄⁺-N）用 2 mol·L⁻¹ 氯化钾（KCL）浸提后用紫外可见分光光度计（N4）测定；有机物质（O.M）采用水合热重铬酸钾氧化-比色法（《土壤农化分析》）进行测定；总磷（TP）采用高氯酸-浓硫酸（HClO₄-H₂SO₄）消煮后用钼锑抗比色法测定.

1.4. 沉积物细菌测定

沉积物样品通过FastDNAchen® Spin Kit for Soil试剂盒提取总DNA，每个样本3个重复. 通过1%的琼脂凝胶电泳检测DNA提取质量，使用NanoDrop 2000测定DNA浓度和纯度. 采用细菌通用引物338F （5'- ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'）和 806R （5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）对细菌16S rRNA 基因 V3-V4 区进行 PCR 扩增. PCR体系为 20 μL，含有 5×FastPfu Buffer 缓冲液 4 μL，2.5 mmol^.L⁻¹ d NTPs 2 μL，正向引物0.8 μL，反向引物0.8 μL，FastPfu 聚合酶 0.4 μL，BSA 0.2 μL，模板DNA 10 ng，最终ddH₂O至 20 μL. PCR扩增程序为：95 ℃ 初始变性3 min，随后95 ℃ 变性30 s，55 ℃ 退火30 s，72 ℃ 延伸45 s共27个循环，最后72 ℃ 延伸10 min，10 ℃ 结束. PCR扩增产物通过2% 琼脂糖凝胶胶电泳检测，后委托上海美吉生物医药科技有限公司（Illumina Miseq PE300平台，美国）完成高通量测序.

1.5. 数据的分析与处理

原始序列经质控、过滤、拼接后利用UPARSE 软件（http://drive5.com/uparse/）进行聚类，得到97% 相似水平下的操作分类单元（OTU）. 本研究中按最小样本序列数将各样品抽平处理后共得到13835个OTUs. 基于所获OTUs，经RDP classifier（https://sourceforge.net/projects/rdp-classifier/，RDP：http://rdp.cme.msu.edu/）获得各样品细菌物种分类信息（分类置信度：0.7）；通过Mothur软件计算各实验组沉积物样品细菌Alpha多样性指数（Shannon、Simpson、Sobs、ACE和Chao）；采用非度量多维尺度分析（non-metric multidimensional scaling，NMDS）解析菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落Beta多样性；基于韦恩图（Venn）和柱形图研究沉积物细菌物种组成和相对丰度的变化；采用冗余分析（RDA）、相关热图分析（Correlation heatmap diagram）、排序回归分析（Sorting regression analysis）和 Mantel Test等方法评价细菌群落与沉积物理化参数之间的关系. 使用FAPROTAX（functional annotation of prokaryotic taxa）对微生物群落进行功能预测. 通过Wilcoxon秩和检验（对照组CK与菖蒲组CA）和 Kruskal-Wallis H检验（3个培养时间）对细菌群落Alpha多样性指数和优势门显著性差异进行检验；通过相似性分析（Analysis of similarities，ANOSIM）以及置换多元方差分析（Permutational Multivariate Analysis Of Variance，PERMANOVA）对群落结构差异进行统计学分析. 以上与微生物相关的分析均在美吉生物云平台在线完成（http://cloud.majorbio.com）. 其他数据（平均值±标准差）采用 Microsoft Excel和 SPSS 软件进行计算与分析. P<0.05和P<0.01分别为差异显著和差异极显著.

3. 结论（Conclusion）

挺水植物菖蒲的生长将提高植物根区沉积物细菌Alpha多样性并丰富细菌的物种组成，改变细菌群落的结构特征，这种影响随菖蒲生长发育的不同阶段而呈现显著差异. 基于FAPROTAX的功能预测证实了菖蒲的存在将对氮呼吸、硝酸盐呼吸、无氧光自氧S氧化以及无氧光自氧等涉及到沉积物氮和硫的循环过程的功能类群产生显著影响. 总之，本研究证实了菖蒲根区改变了沉积物原有细菌群落结构将引起沉积物细菌代谢及生态功能的变化，研究结果将对进一步揭示水生植物与微生物间的互作关系提供一定的依据.

参考文献 (37)

挺水植物菖蒲根区沉积物细菌群落结构和功能特征分析

通讯作者: E-mail：xhzhou0214@ujs.edu.cn;

The structural and functional characteristics of the sedimentary bacterial community in the root area of Acorus calamus

Corresponding author: ZHOU Xiaohong, xhzhou0214@ujs.edu.cn ;

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 材料

1.2 实验仪器

1.3 吸附实验

1.3.1 动力学实验

1.3.2 等温线实验

1.3.3 环境因素影响

1.4 吸附模型

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 微塑料的表征

2.2 吸附动力学

2.3 吸附等温线

2.4 pH对吸附的影响

2.5 盐度对吸附的影响

2.6 腐殖酸浓度对吸附影响

2.7 微塑料粒径对吸附的影响

2.8 温度对吸附的影响

2.9 自然水环境中微塑料对MB的吸附

2.10 微塑料对MB的吸附机制

3. 结论（Conclusion）

计量

出版历程

挺水植物菖蒲根区沉积物细菌群落结构和功能特征分析

通讯作者: E-mail：xhzhou0214@ujs.edu.cn;

English Abstract

The structural and functional characteristics of the sedimentary bacterial community in the root area of Acorus calamus

Corresponding author: ZHOU Xiaohong, xhzhou0214@ujs.edu.cn ;

全文HTML

1.1. 植物和沉积物准备

1.2. 实验系统构建及样品采集

1.3. 沉积物理化指标测定

1.4. 沉积物细菌测定

1.5. 数据的分析与处理

2.1. 沉积物的理化参数的变化

2.2. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落特征分析

2.2.1. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落Alpha多样性差异分析

2.2.2. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落Beta多样性

2.2.3. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落组成

2.3. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌功能预测分析

2.4. 沉积物细菌群落影响因子分析

目录

全文HTML

1.1. 植物和沉积物准备

1.2. 实验系统构建及样品采集

1.3. 沉积物理化指标测定

1.4. 沉积物细菌测定

1.5. 数据的分析与处理

2.1. 沉积物的理化参数的变化

2.2. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落特征分析

2.2.1. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落Alpha多样性差异分析

2.2.2. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落Beta多样性

2.2.3. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌群落组成

2.3. 菖蒲根区及对照系统沉积物细菌功能预测分析

2.4. 沉积物细菌群落影响因子分析