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

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。研究通過結合氧微電極測量、酶活性分析和高通量測序技術，系統評估了MNPs在沉積物-水界面（SWI）的生物地球化學效應，為MNPs的環境風險評價提供了新見解。

1. 摘要核心內容

摘要指出，金屬氧化物納米顆粒（MNPs）如TiO2和CeO2在水生生態系統中的潛在生態風險日益受到關注，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生物地球化學條件的影響尚不明確。本研究通過微宇宙實驗，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。結果顯示：

 

MNPs在淡水環境中快速沉降，高達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。

 

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

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

 

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，重點關注：

 

MNPs的環境行為：評估MNPs在沉積物中的沉降、積累和分布模式。

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

微生物群落響應：分析MNP暴露下細菌群落結構、多樣性和功能的變化。

 

機制闡釋： linking化學環境變化（如氧剖面）與微生物代謝活動，為MNPs的環境風險提供機制依據。

 

3. 研究思路

研究采用了微宇宙實驗與多技術聯用的綜合 approach：

 

實驗設計：從太湖竹山灣采集沉積物和過覆水，建立微宇宙系統。添加MNPs（TiO2或CeO2，5 mg/L）并設置對照（無添加）和滅菌對照（ abiotic control）。

MNPs行為表征：通過SEM、動態光散射（DLS）和ICP-MS分析MNPs的膠體穩定性、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（補充圖S7）。

細菌豐度：通過qPCR定量16S rRNA基因拷貝數（補充圖S6）。

 

高通量測序：對16S rRNA基因V4-V5區進行Illumina測序，分析細菌多樣性、群落結構和功能組（圖5、6；表S4）。

 

 

數據整合：使用統計方法（如PCA、ANOVA）和模型（如PROFILE軟件）關聯環境變量與微生物響應。

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其來源和意義如下：

 

MNPs膠體行為和沉積物分布（來自 圖1）

 

數據：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，為后續代謝效應分析提供了空間背景。

 

氧微電極剖面（來自 圖2、3、4）

 

數據：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。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，提示NP類型依賴性效應。

 

細菌豐度和酶活性（來自 補充圖S6、S7）

 

數據：總細菌16S rRNA基因拷貝數（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等生物地球化學過程可能被擾動。

 

細菌群落結構（來自 圖5、6）

 

數據：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制。多樣性增加但結構偏移，表明MNPs可能促進某些耐受菌群。

 

相關性分析（來自文本和附表）

 

數據：環境變量（如氧濃度、MNPs濃度）與微生物群落的相關性。

 

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通過改變化學環境間接影響微生物代謝。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

MNPs積累在表層沉積物：添加后5天內，高達85%的MNPs沉降并積累在沉積物頂部5 mm內，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。

群落結構改變：MNP暴露增加了細菌多樣性但改變了群落組成，好氧和兼性細菌豐度減少，厭氧細菌增加，這直接導致氧消耗能力下降。

代謝活性受損：短期暴露（5天）對微生物代謝活性有負面影響，可能影響沉積物-水界面的生物地球化學循環（如有機質降解、營養鹽轉化）。

 

環境啟示：MNPs的環境風險取決于NP類型和暴露濃度，需關注其對微生物驅動過程的長期效應。

 

6. 詳細解讀：Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的氧微電極進行了關鍵的原位測量，這些數據在圖2、3、4中呈現。

測量數據：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（0-5天）監測了動態變化。數據包括氧濃度梯度、氧滲透深度和計算出的氧消耗速率。

詳細研究意義解讀：

 

提供高分辨率氧動力學證據：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微變化，這是傳統采樣方法（如孔隙水提取）無法實現的。數據顯示，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，因為化學氧消耗在滅菌對照中無變化（圖3）。

量化生物氧消耗抑制：通過數值模型（如PROFILE軟件）計算氧消耗速率，發現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的抑制效應更強（氧通量降低32.2%），表明NP化學組成影響毒性。

區分生物與化學過程：通過比較生物活性沉積物和滅菌沉積物，微電極數據確認氧消耗變化主要源于微生物活性改變而非化學氧化（如MNPs本身氧化劑效應）。這強調了MNPs的生物毒性機制。

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

揭示空間異質性：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），這幫助定位了MNPs效應的熱點區域（表層），與MNPs積累數據（圖1）吻合。

 

技術優勢與應用價值：Unisense微電極的原位、實時測量能力避免了采樣擾動，提供了更真實的環境數據。這突出了高分辨率傳感技術在環境微生物學研究中的重要性，尤其用于評估污染物對微尺度生物地球化學過程的影響。

 

綜上所述，Unisense氧微電極在本研究中扮演了 “環境生理學監測器”的角色。其提供的高精度氧數據不僅是描述性參數，更是揭示MNPs毒性機制、量化代謝抑制、鏈接化學與生物響應的核心證據。沒有這些數據，MNPs對微生物氧消耗的抑制效應無法被直接證實，研究結論的可靠性將大打折扣。這項研究展示了微電極技術在環境納米毒理學中的強大應用潛力。