國民核生化災(zāi)害防護(hù)：氚和碳14污染重塑海水環(huán)境中的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)
氚（3H）和碳-14（14C）是氫（1H）和碳-12（12C）的β衰變放射性核素同位素。氚和碳-14向環(huán)境中的釋放最近引起了廣泛關(guān)注。海水中的氚和碳-14可通過食物鏈轉(zhuǎn)移破壞全球魚類回游、遠(yuǎn)洋漁業(yè)、人類健康和生態(tài)安全，對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。污染物對生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響現(xiàn)在被廣泛研究，微觀模擬實(shí)驗(yàn)通過研究污染物對小規(guī)模生態(tài)系統(tǒng)的影響來研究污染物如何影響較大的生態(tài)系統(tǒng)。
02前言近日，國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Hai-Ling Xi課題組，研究模擬海水氚和碳-14污染，分析其對海水和沉積物微環(huán)境的影響。為進(jìn)一步評估海洋環(huán)境中氚和碳-14的風(fēng)險(xiǎn)提供了有價(jià)值的信息。相關(guān)成果以“Tritium and Carbon-14 Contamination Reshaping the Microbial Community Structure, Metabolic Network, and Element Cycle in the Seawater Environment”為題，發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊ES&T。該論文的第一作者為國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室賴金龍博士，通訊作者為Hai-Ling Xi，共同通訊作者為西南科技大學(xué)羅學(xué)剛教授。
03研究思路
通過構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來模擬氚和碳-14污染在海水中，并分析這些放射性核素在連續(xù)暴露60天后對海洋微生物群落的長期影響。利用代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)來分析沉積物代謝、微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的變化。調(diào)查結(jié)果驗(yàn)證了氚和碳-14對海洋環(huán)境中沉積物營養(yǎng)循環(huán)關(guān)鍵酶活性的不利影響。為進(jìn)一步評估海洋環(huán)境中氚和碳-14的風(fēng)險(xiǎn)提供了有價(jià)值的信息。
04研究結(jié)果
1、通過研究放射性核素對海水和沉積物物理化學(xué)參數(shù)的影響
在沉積物中，放射性核素暴露（T1−T2、C1−C2、T2 + C2）對pH、硫、無機(jī)磷和硝酸鹽水平?jīng)]有顯著影響，但高放射性核素濃度（T2、C2、T2 + C2）顯著降低氧化還原電位（降低8 - 12%），總磷（19 - 25%，圖1D）、有機(jī)磷（66 - 79%）和銨態(tài)氮（17 - 37%）。相比之下，亞硝酸鹽含量增加了86− 109%。
圖1.氚和碳-14暴露60天后沉積物的含量的分析。（A）pH值、（B）氧化還原電位、（C）硫、（D-F）磷和（G-I）氮（*、**表示指標(biāo)含量在0.05和0.01水平之間差異顯著（n = 3）。
2、放射性核素對海水微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
在四個(gè)處理中總共鑒定了2766個(gè)OTU，并且在所有處理中鑒定了329個(gè)OTU；變形菌門、擬桿菌門、SAR324_Clade（Marine_group_B）是優(yōu)勢植物群，相對豐度為93−97%；NMDS結(jié)果表明，放射性核素暴露顯著改變了海水細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)；微生物群落結(jié)構(gòu)在四個(gè)處理之間存在顯著差異�？傊�，暴露于任一放射性核素改變了參與碳，氮，磷代謝和有機(jī)物降解的海水微生物的相對豐度。海水微生物群落對氚或碳-14的反應(yīng)存在差異，這可能反映了海水中微生物群落對氚或碳-14的反應(yīng)。碳-14很容易被自養(yǎng)微生物同化為含碳有機(jī)物，使其對碳-14暴露更敏感。
圖2.氚和碳-14暴露60天后海水中微生物組成（A、B）、組間差異（C）和微生物結(jié)構(gòu)差異（D、E）。
3、放射性核素對沉積物代謝物組成的影響
總共1690種代謝物在沉積物中被準(zhǔn)確地鑒定。放射性核素暴露顯著改變了沉積物代謝物組成，特別是脂質(zhì)、脂質(zhì)樣分子、有機(jī)酸和衍生物。KEGG注釋表明DEGs主要參與核苷酸代謝、氨基酸代謝和膜轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。在氚（T2）或碳-14（C2）暴露后，DEM顯著富集嘌呤代謝、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和嘧啶代謝。在氚和碳-14聯(lián)合暴露（T2 + C2）后，DEM顯著降低富含ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、淀粉和蔗糖代謝以及脂質(zhì)代謝。暴露于單一放射性核素顯著降低了嘌呤代謝物（0.47 - 0.72倍）以及亮氨酰亮氨酸和高精氨酸（0.72 - 0.78倍）。
圖3.沉積物中代謝差異的富集途徑分析注：具有顯著富集的代謝途徑的篩選閾值：P < 0.05
4、放射性核素對沉積物微生物群落的影響
RDA結(jié)果顯示，表明第一軸細(xì)菌微生物群落顯著分離所有環(huán)境變量和四個(gè)處理。沉積物ORP、總磷、有機(jī)磷和亞硝酸鹽含量與細(xì)菌豐度顯著相關(guān)。交互作用網(wǎng)絡(luò)分析表明，擬桿菌門、硝化螺旋菌門、浮游菌門、藍(lán)細(xì)菌門、厚壁菌門、紫細(xì)菌門和熱絲菌門與沉積物磷、氮循環(huán)有顯著相關(guān)。
圖4. RDA/CCA（A）和網(wǎng)絡(luò)熱圖（B）分析微生物豐度與環(huán)境因子的關(guān)系（門水平，前15; 皮爾遜相關(guān)系數(shù)> 0.8或<-0.8，P < 0.05）。
5、放射性核素對沉積物KEGG功能的影響
放射性核素暴露后，這些DEG在光合作用（ko 00195）、細(xì)菌趨化性（ko 02030）和糖酵解/糖異生（ko 00010）中顯著富集。細(xì)胞光合作用是將兩種放射性核素轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物的關(guān)鍵途徑，射性核素暴露顯著上調(diào)了光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I基因的表達(dá)，這增強(qiáng)了光合作用的效率，但進(jìn)一步增加了無機(jī)放射性核素轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物的潛在風(fēng)險(xiǎn)。海洋微環(huán)境中溶解的有機(jī)物、氮和碳的生物地球化學(xué)循環(huán)促進(jìn)了細(xì)菌的趨化性。糖酵解/糖異生途徑與沉積物中的糖生物轉(zhuǎn)化密切相關(guān)�？傊盎�/和碳-14暴露可在功能基因水平上重塑沉積物物質(zhì)循環(huán)功能。
圖5.在單一氚（A）、碳-14（B）暴露和組合暴露組（C）中顯著富集的DEG的代謝途徑分析。注：（A-C）僅顯示了不同對照組中前15種代謝途徑。
6、放射性核素對養(yǎng)分循環(huán)的影響
磷循環(huán)中的靶基因涉及有機(jī)磷礦化、磷溶解和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。共鑒定了20個(gè)參與微生物磷循環(huán)的基因。磷溶解相關(guān)基因（gcd，ppa，ppx）的相對豐度顯著增加放射性核素暴露。放射性核素暴露后，有機(jī)磷礦化基因（phnE/M/W和phoD）的相對豐度差異顯著。參與硫酸鹽還原和SOX系統(tǒng)的基因的相對豐度（例如，cysC/I，sir，soxB/Y/X）顯著升高。我們鑒定了31個(gè)氮代謝差異基因，這些基因的表達(dá)豐度與氨氮水平、脲酶、NR和Nir呈顯著相關(guān)。氚暴露（T2）顯著降低了沉積物中氮循環(huán)基因的相對豐度（例如，narG、nirA、nirK）。氚和碳-14暴露對沉積物氮循環(huán)基因豐度的影響在硝化途徑上存在顯著差異。然而，碳-14暴露（C2）或組合暴露（T2+C2）誘導(dǎo)了氮循環(huán)基因（例如，C2）的相對豐度的顯著增加。narG，nirB，narB，nasA，nosA，NifDKH），表明氚和碳-14暴露改變了氮循環(huán)中關(guān)鍵酶的表達(dá)，從而影響了沉積物中酶的催化活性和氮代謝。
圖6. 沉積物中參與磷（A）和硫（B）代謝循環(huán)的基因的相對豐度。注：*、** 表示處理組和對照組之間的顯著差異為0.05和0.01（n = 3）。
05研究結(jié)論
含氚和碳14的放射性廢水對水生態(tài)環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)需要認(rèn)真評估。氚和碳-14污染可以改變海水和沉積物中的微生物群落結(jié)構(gòu)，從而重塑沉積物代謝循環(huán)功能。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，碳-14比氚更具有生物可利用性，碳-14暴露調(diào)節(jié)沉積物碳水化合物代謝，而氚暴露可能增加抗生素抗性基因積累的風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果可為自然環(huán)境中氚和碳-14污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供參考。
參考來源：DOI：10.1021/acs.est.3c00422
