微生物生长曲线监测系统研究海洋环境中塑料上真菌群落的定植和生物降解潜力
研究背景：自1950年以来，全球塑料产量呈现指数增长模式，目前达到每年约3.91亿吨(Mt)。塑料是一种用途广泛的材料，因其众多属性而备受推崇，包括阻力、耐用性、延展性和成本效益。然而它们的广泛利用导致产生大量未经管理的废物。过去十年，栖息在海洋塑料碎片上的微生物群落（即“塑料圈”）引起广泛关注。这些微生物群落与周围海水中的群落不同，具有独特的多样性和组成。估计与MPD相关的微生物生物膜中有1000至15，000吨微生物，但考虑到上层海洋中微塑料数量，这一数字可能被低估。研究揭示了塑料材料浸入海洋环境后快速、组织良好且动态的定殖过程。尽管大多数研究集中在细菌成分上，对微真核生物特别是真菌群落的探索有限。观察表明地理位置和环境因素对真菌定殖的影响比塑料聚合物成分更显著。聚合物成分通常不会显著影响群落组成。浸泡时间对真菌定殖有显著影响。真菌群落中，子囊菌占主导地位，其他真菌门（如担子菌门、壶菌门等）也有检测。尽管有超过400种微生物能够降解塑料聚合物，但其降解常用聚合物（如PP、PS和PVC）的能力尚存疑。286种细菌和150种真菌显示出降解塑料的潜力，主要包括变形菌门、放线菌门和子囊菌门等。14种细菌和一种真菌（Talaromyces variabilis）已被报道能降解PS。最近研究表明，几种真菌显示出降解PS的能力，但效果有限。本研究旨在填补多时间点PS浸泡和收集的知识空白，特别是比较传统PS和可生物降解替代品在布雷斯特码头的真菌定殖潜力和动态。通过高通量18S rRNA基因扩增子测序和培养方法，研究不同聚合物上真菌群落的组成、结构及其利用塑料作为碳源的能力，旨在阐明真菌定殖的差异及其影响因素，并确定真菌群落组装的控制机制。
丹麦Biosense微生物生长动态监测系统（oCelloScope™）的应用
oCelloScope被用于观察和分析真菌在不同塑料补充条件下培养时的微观结构。oCelloScope能够生成每个培养孔的显微图像，这使得研究人员可以直观地观察到真菌在塑料补充条件下的生长情况。这种图像分析与激光nephelometry结合使用，提供了关于真菌生长潜力的定量和定性数据。oCelloScope是一种数字延时显微镜技术，可扫描流体样品，生成一系列图像，使用oCelloScope系统进行时间推移显微成像，扫描添加PVC的条件下从接种(D0)到生长14天(D14)的真菌生长情况。
实验结论
为了解沉浸在海洋环境中的塑料上的真菌群落的定殖模式和生物降解潜力提供了重要的见解。在聚苯乙烯和可生物降解聚合物上观察到的真菌物种多样性，加上它们利用这些聚合物作为碳源的能力，强调了它们在各种塑料基质上定植的能力，以及真菌在减轻海洋生态系统塑料污染方面的潜在作用。这些发现强调需要进一步研究真菌生物降解机制及其在旨在应对塑料废物全球挑战的环境管理策略中的实际应用。此外，该研究还发现了某些能够降解塑料的真菌物种。一些真菌物种的生物降解能力与分离它们的聚合物之间表现出一致性，而其他物种则表现出相反的模式。由于只鉴定出很少的分离株，结果可能表明，海洋塑料碎片上的真菌群落组装是确定性过程（生态位理论）和随机过程（中性理论）的混合，正如最近在真菌土壤塑料圈上所证明的那样使用宏基因组数据。没有从PSE-PI中分离出能够利用聚合物作为碳源的物种，该聚合物在我们的元条形码数据集中表现出最高的毒性和最低的真菌多样性。一种能够利用聚合物作为碳源的物种也被称为机会性病原体（烟曲霉）。这种双重作用强调了海洋生态系统内真菌相互作用的复杂性，并强调了在生物修复工作中利用这些生物体的潜在风险和益处。它强调在制定基于真菌的塑料废物管理策略时必须仔细考虑生态影响和健康影响，需要更多地关注酶而不是微生物。
图1、分离株C1589利用聚合物作为碳源的能力。(A)在培养皿上14天的生长情况（从左到右：阳性对照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、阴性对照）。(B)使用激光浊度法获得的生长曲线（x轴代表以天为单位的时间，y轴代表以百万RNU（相对浊度单位）为单位的颗粒数。注意：y轴刻度根据聚合物补充条件的不同而不同。(C)使用oCelloScope对补充PE的条件下从接种(D0)到生长14天(D14)的真菌生长进行可视化。
图2、分离株C1591利用聚合物作为碳源的能力。(A)在培养皿上14天的生长情况（从左到右：阳性对照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、阴性对照）。(B)使用激光浊度法获得的生长曲线（x轴代表以天为单位的时间，y轴代表以百万RNU（相对浊度单位）为单位的颗粒数。注意：y轴刻度根据聚合物补充条件的不同而不同。(C)使用oCelloScope可视化添加PVC的条件下从接种(D0)到生长14天(D14)的真菌生长情况。
图3、分离株C1666利用聚合物作为碳源的能力。(A)在培养皿上14天的生长情况（从左到右：阳性对照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、阴性对照）。(B)使用激光浊度法获得的生长曲线（x轴代表以天为单位的时间，y轴代表以百万RNU（相对浊度单位）为单位的颗粒数。注意：y轴刻度根据聚合物补充条件的不同而不同。(C)使用oCelloScope对补充PS、PET和PCL的条件下从接种(D0)到生长14天(D14)的真菌生长进行可视化。
图4：分离株C2218利用聚合物作为碳源的能力。(A)在培养皿上14天的生长情况（从左到右：阳性对照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、阴性对照）。(B)使用激光浊度法获得的生长曲线（x轴代表以天为单位的时间，y轴代表以百万RNU（相对浊度单位）为单位的颗粒数。注意：y轴刻度根据聚合物补充条件的不同而不同。(C)使用oCelloScope对补充PHBV和PVC的条件下从接种(D0)到生长14天(D14)的真菌生长进行可视化。
图5、分离株C2281利用聚合物作为碳源的能力。(A)在培养皿上15天的生长情况（从左到右：阳性对照、PE、PS、PET、PHBV、PCL、PVC、阴性对照）。(B)使用激光浊度法获得的生长曲线（x轴代表以天为单位的时间，y轴代表以百万RNU（相对浊度单位）为单位的颗粒数。注意：y轴刻度根据聚合物补充条件的不同而不同。(C)使用oCelloScope对补充PHBV的条件下从接种(D0)到生长15天(D15)的真菌生长进行可视化。
总结
本论文主要研究海洋环境中塑料上真菌群落的定植和生物降解潜力。研究团队通过在法国布雷斯特港口的现场实验，探索了不同塑料材料（包括传统泡沫聚苯乙烯和可生物降解塑料）在海洋环境中浸泡不同时间后，真菌群落的定植动态和生物降解潜力。研究结果强调了真菌在塑料污染生物修复中的潜在作用，并指出了需要进一步探索的领域。海洋塑料污染是一个主要的环境威胁。在这种情况下，更好地了解能够定植并可能降解这些污染物的微生物是很有意义的。本研究以布雷斯特码头（法国）为模型地点，探讨了真菌群落在浸泡在码头环境中的泡沫聚苯乙烯和替代生物降解塑料上随着时间的推移的定殖和生物降解潜力。该方法结合了高通量18S rRNA基因扩增子测序，以研究与周围海水相比与塑料相关的真菌类群，以及依赖培养的方法来分离环境相关真菌，以进一步评估其利用聚合物作为碳源的能力。本研究中，oCelloScope被用于观察和分析真菌在不同塑料补充条件下培养时的微观结构。通过oCelloScope可以观察到真菌在特定塑料补充条件下的菌丝网络、孢子链和分生孢子等结构。这些微观结构的观察对于评估真菌利用塑料作为碳源的能力至关重要。元条形码结果强调了与泡沫聚苯乙烯和可生物降解塑料相关的真菌群落的显着多样性，揭示了受聚合物类型和浸泡时间影响的动态定殖过程。值得注意的是，该研究表明某些真菌物种有利用聚合物作为碳源的潜力，强调需要进一步探索真菌生物降解潜力和机制。