米乐(中国)官方网站 “微生物村”是如何形成的？

理化学研究所可持续资源科学研究中心环境代谢分析研究组组长菊地敦和米乐m6官方网站(AIST)催化剂化学跨学科研究中心主任吉田正领导的联合研究小组阐明了微生物在塑料表面形成“村庄”状群体的决定因素。

这项研究成果将有助于实现海洋塑料“在正确的地方使用正确的材料”，以及通过控制海洋微生物群落恢复生物多样性蓝碳^[1]的增加

此次联合研究小组利用鹤见川河口水中的微生物群落构建了生物降解性评价体系，对37种微生物的生物降解性进行了评价低聚物^[2]进行了拆解测试。从化学结构来看，低聚物己二酸^[3]越高含量越高，分子运动性和亲水性越高，生物降解速度越快，而芳香族化合物越多则表现出相反的趋势。另一方面，低聚物表面具有高分子活动性和亲水性入籍^[4]微生物有很多的趋势。因此，为了评估低聚物与微生物类型之间的关系是必然还是巧合，我们利用生物降解试验获得的大数据开发了一种定量群落形成评估方法。iCAMP 方法^[5]进行分析结果表明，虽然偏好此类表面的微生物不可避免地会生活在具有高分子活动性和亲水性的低聚物表面上，但生活在具有中等分子活动性和亲水性的低聚物表面上的微生物类型是偶然决定的。

通过应用这一结果，将有可能通过控制塑料的表面特性来创建适合塑料使用的微生物群落，这有望有助于海洋中使用的绳索和块等材料的设计。

这项研究发表在科学杂志'整体环境科学'' 在线版本（日期为 4 月 25 日）。

2022 年第十五届联合国生物多样性公约缔约方大会 (CBDCOP15) 制定了一项国际目标，即到 2030 年实现所谓的“自然积极性”。自然积极性意味着制止和扭转生物多样性丧失，让我们走上复苏之路。特别是，海洋生态系统比陆地生态系统更容易受到温度影响，部分由于全球变暖的影响而遭到破坏，需要采取各种措施来恢复它们。

联合研究小组重点研究了可在海洋中用于多种用途的塑料材料与海洋微生物之间的关系，并认为从生物可降解性的角度在“正确的地方”使用材料可以有助于实现自然积极性。这是因为易于生物降解的材料有可能通过充当营养来源和生长支架来丰富生态系统。然而，为了确定“在正确的地方使用正确的材料”，我们必须弄清楚各类海洋微生物栖息和分解什么材料之间的关系。

Atsushi Kikuchi组长等人研究了动物肠道^注1)，土壤^注2)，底泥^注3),海洋^注4)等不同环境中微生物群落的动态，我们发现温度、厌氧度、营养等可以用来预测群落形成，并且我们还报道了因果分析。利用这种积累，我们决定分析材料表面的特征如何影响微生物群落的形成。具体来说，我们决定使用鹤见川河口微生物群落的生物降解性评价系统，以可视化包含己二酸和芳香族化合物作为单体（聚合单元）的分子量为10,000以下的低聚物的物理化学性质、生物降解率和附着的微生物群落之间的关系。

联合研究小组首先合成了37种低聚物，用于生物降解性测试。一般来说，具有高结晶度和疏水性的塑料材料往往不易生物降解，而无定形且高亲水性的塑料材料往往更容易生物降解。正如人类社会中“村庄”是在易于耕种且富含水和养分的平坦土地上形成的一样，在微生物社会中，与土地“地形”和“地质”相对应的材料的理化性质是影响人们能否在这些材料中定居的重要因素。因此，在合成过程中，我们选择了单体（图1），着眼于系统地改变低聚物的物理化学性质，并改变了它们的组合和含量。

为了评估合成低聚物的物理化学性质，我们对团队负责人 Kikuchi 及其同事开发的聚合物材料应用了核磁共振 (NMR) 方法。特别是时域核磁共振 (TD-NMR)^[6]，我们评估了低聚物的分子迁移率（无定形高度），以及低聚物中水分子的数量和状态（亲水或疏水）。

此外，对于低聚物的生物降解性测试，我们使用了利用鹤见川河口水构建的塑料降解性评估系统。将低聚物引入评估系统后，我们随着时间的推移对其进行采样，以检查低聚物的生物降解率和表面微生物群落的结构（包含哪些类型的微生物以及多少）。

利用获得的大数据，联合研究小组进行了三类分析。

第一步是分析低聚物组成与理化性质（分子迁移率、亲水性、生物降解率）之间的关系（图2）。主成分分析^[7]进行分析的结果发现，随着低聚物中的己二酸单元和琥珀酸单元的比例增加，分子运动性、亲水性和生物降解性增加，而随着芳香族化合物(对苯二甲酸和间苯二甲酸)单元的比例增加，分子运动性、亲水性和生物降解性趋于降低。这被认为是因为前者的分子结构灵活且易于移动，并且具有与水相互作用的部分。

接下来，低聚物组成与微生物群落成员组成之间的关系非度量多维标度 (nMDS)^[8]（图3）。结果表明，在微生物中，存在偏好己二酸单元的群体和偏好芳香族化合物单元的群体。如果我们把它比作人类社会，我们就会想到，农业部落定居在水源充足、易于耕种的土地上，而游牧民族则来到了岩石多、难以耕种的土地上。

作为第三项分析，联合研究小组分析了低聚物组成与微生物群落之间的关系是必然决定的还是偶然决定的。在本次分析中，我们使用了 iCAMP 方法，这是一种定量人群形成评估方法。决定材料表面微生物群落成员组成的因素很多且复杂。 iCAMP方法计算了同种是否聚集、不同类型是否聚集、微生物是否扩大领地等5个指标，通过综合判断材料表面与微生物群落的关系是必然还是巧合（图4）。

分析结果表明，微生物群落的成员组成在含有己二酸单元的低聚物中是不可避免地决定的，而在含有芳香族化合物单元的低聚物中是偶然决定的。

总结上述分析结果，我们发现含有己二酸单元的低聚物具有高度非晶性和高亲水性，因此微生物很容易栖息在其中，并且其成员是根据需要确定的，而含有芳香族化合物单元的低聚物是晶体且亲水性低，因此各种类型的微生物可以偶然栖息在其中。

对于未来的发展，第一步是将本研究采用的方法扩展到其他领域。在本研究中，利用TD-NMR这种简单的质量评估仪器，我们建立了一种高通量（快速处理多个样品）的方法来分析聚合物的流动性和水的存在，但迄今为止尚未进行太多研究。该方法可广泛应用于高分子材料的评价和设计。

此外，我们构建了一种数据科学方法来提取附着在材料表面的微生物群落的特征，具有重要意义。由于微生物群落的粘附不仅受到材料表面特性的影响，还受到环境因素（初始微生物组成、营养成分、水温等）的影响，因此需要一种综合分析物理、化学和生物因素的方法。团队负责人菊池及其同事从这个角度将他们在建筑材料数据科学和环境数据科学方法方面积累的技术应用到了这项研究中。如果我们能够利用本研究的方法获得有关材料附着的微生物群落结构和生物降解性因素的数据驱动信息，贝叶斯优化^[7]

第二个发展是基于材料数据科学为自然积极性做出贡献。此前对生物降解材料的研究仅集中于泄漏到海洋中的塑料的分解，很少有论文讨论生物群落形成的过程。这项研究的结果表明，通过控制材料表面的物理化学性质，可以控制生活在那里的微生物成员。例如，通过在坚韧的核心材料上涂上促进微生物群落形成的材料，可以使养鱼场和海上风力发电中使用的绳索使用寿命更长。生物膜^[9]可能会形成并有助于生态系统的恢复。此外，阐明目标生物膜表面与海藻床形成之间的因果关系可能有助于蓝碳的增加。这样，如果我们应用这项研究成果来设计海洋中使用的塑料材料，我们就可以为海洋自然的积极性和联合国设定的国际目标做出贡献。可持续发展目标 (SDG)^[10]”预计将有助于“14”。保护海洋的丰富性。''

第三个发展是促进碳中和。在本研究讨论的低聚物中，有机酸和芳香族单元不仅可以由生物质生产，还可以使用从垃圾焚烧厂回收的二氧化碳生产。₂通过生物加工也将成为可能。这项研究的结果将有助于推广不依赖原油的碳中性塑料材料的使用，并被认为有助于实现可持续发展目标 12：负责任的生产和负责任的消费。

<标题>
基于物理化学特征和基于系统发育箱的零模型分析，对不同塑料球降解过程中的微生物群落组装过程进行量化
<作者姓名>
横山大树、坪井勇利、阿部秀树、长畑律子、绀野秀夫、吉田胜、菊地淳
＜杂志＞
整体环境科学
＜DOI＞
101016/jscitotenv2024172401

[1] 蓝碳

进入海洋生态系统（例如海藻床和浅水区域）的碳。海藻、紫菜、湿地、滩涂、红树林作为隔离和储存这些的海洋生态系统而备受关注。[返回来源]

[2] 低聚物

塑料等聚合物是相同或不同类型单体（构成单元）的聚合物。聚合数量相对较少的那些称为低聚物。[返回参考源]

[3]己二酸

主要用作合成尼龙的单体的物质，也用于合成香料。它的烃链有四个碳，具有很高的流动性。[返回来源]

[4] 同化

微生物利用某些化合物作为营养源。[返回来源]

[5] iCAMP方法

将微生物群落结构的形成因素分为五种，通过大数据进行计算，评估其形成是偶然还是必然的方法。它是由俄克拉荷马大学土木工程系赵教授于2020年开发的。[返回来源]

[6]时域核磁共振（TD-NMR）

核磁共振是一种主要通过将样品置于磁场中并暴露于脉冲无线电波时获得的信号来分析样品分子结构的方法，但它也可以从信号的时间变化中获得有关分子迁移率和样品中水的状态的信息。这称为时域核磁共振（TD-NMR），许多小型便携式设备通常使用永磁体。 TD-NMR 代表时域核磁共振。[返回来源]

[7]主成分分析，贝叶斯优化

主成分分析是一种统计分析方法，通过减少变量数量，可以更轻松地提取数据分布特征。贝叶斯优化是一种基于概率论的方法，可以在有多种选择的情况下快速得出最优解。[返回来源]

[8] 非度量多维标度 (nMDS)

一种统计分析方法，它将以多个维度表示的大量点重新排列到尽可能低的维度（例如二维平面），使得相似的点彼此靠近，不相似的点相距较远。由于对象放置在多维空间中，并且表达了隐藏在数据背后的关系，因此可以直观地表达对象之间的关系，并且可以轻松理解对象之间的关系。[返回来源]

[9] 生物膜

与水接触的材料表面形成的薄膜，由各种微生物及其分泌物组成。[返回来源]

[10] 可持续发展目标 (SDG)

2015年9月联合国峰会上成员国一致通过的《2030年可持续发展议程》提出了从2016年到2030年15年期间要实现的国际目标。该议程由17个目标和169个具体目标组成，旨在实现一个可持续的世界，是不仅发展中国家，而且发达国家也在努力实现的普遍目标，日本也在积极开展工作（外交部网站稍作修改转载）。 SDGs 代表可持续发展目标。 [返回来源]