01、研究背景

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注。海水中的氚和碳-14可通過食物鏈轉移破壞全球魚類回游、遠洋漁業(yè)、人類健康和生態(tài)安全，對海洋環(huán)境造成嚴重的生態(tài)風險。污染物對生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響現(xiàn)在被廣泛研究，微觀模擬實驗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，國民核生化災害防護國家重點實驗室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。為進一步評估海洋環(huán)境中氚和碳-14的風險提供了有價值的信息。相關成果以“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)境領域權威期刊ES&T。該論文的第一作者為國民核生化災害防護國家重點實驗室賴金龍博士，通訊作者為Hai-Ling Xi，共同通訊作者為西南科技大學羅學剛教授。

03、研究思路

通過構建了一個實驗系統(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。利用代謝組學和宏基因組學來分析沉積物代謝、微生物群落結構和代謝功能的變化。調查結果驗證了氚和碳-14對海洋環(huán)境中沉積物營養(yǎng)循環(huán)關鍵酶活性的不利影響。為進一步評估海洋環(huán)境中氚和碳-14的風險提供了有價值的信息。

04、研究結果

1、通過研究放射性核素對海水和沉積物物理化學參數(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構的影響

在四個處理中總共鑒定了2766個OTU，并且在所有處理中鑒定了329個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結果表明，放射性核素暴露顯著改變了海水細菌群落結構；微生物群落結構在四個處理之間存在顯著差異?？傊┞队谌我环派湫院怂馗淖兞藚⑴c碳，氮，磷代謝和有機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。碳-14很容易被自養(yǎng)微生物同化為含碳有機物，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）和微生物結構差異（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、脂質樣分子、有機酸和衍生物。KEGG注釋表明DEGs主要參與核苷酸代謝、氨基酸代謝和膜轉運途徑。在氚（T2）或碳-14（C2）暴露后，DEM顯著富集嘌呤代謝、ABC轉運蛋白和嘧啶代謝。在氚和碳-14聯(lián)合暴露（T2 + C2）后，DEM顯著降低富含ABC轉運蛋白、淀粉和蔗糖代謝以及脂質代謝。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結果顯示，表明第一軸細菌微生物群落顯著分離所有環(huán)境變量和四個處理。沉積物ORP、總磷、有機磷和亞硝酸鹽含量與細菌豐度顯著相關。交互作用網(wǎng)絡分析表明，擬桿菌門、硝化螺旋菌門、浮游菌門、藍細菌門、厚壁菌門、紫細菌門和熱絲菌門與沉積物磷、氮循環(huán)有顯著相關。

圖4. RDA/CCA（A）和網(wǎng)絡熱圖（B）分析微生物豐度與環(huán)境因子的關系（門水平，前15; 皮爾遜相關系數(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）、細菌趨化性（ko 02030）和糖酵解/糖異生（ko 00010）中顯著富集。細胞光合作用是將兩種放射性核素轉化為有機化合物的關鍵途徑，射性核素暴露顯著上調了光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I基因的表達，這增強了光合作用的效率，但進一步增加了無機放射性核素轉化為有機化合物的潛在風險。海洋微環(huán)境中溶解的有機物、氮和碳的生物地球化學循環(huán)促進了細菌的趨化性。糖酵解/糖異生途徑與沉積物中的糖生物轉化密切相關?？傊盎?和碳-14暴露可在功能基因水平上重塑沉積物物質循環(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磷礦化、磷溶解和轉運蛋白。共鑒定了20個參與微生物磷循環(huán)的基因。磷溶解相關基因（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個氮代謝差異基因，這些基因的表達豐度與氨氮水平、脲酶、NR和Nir呈顯著相關。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)中關鍵酶的表達，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)風險需要認真評估。氚和碳-14污染可以改變海水和沉積物中的微生物群落結構，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險。研究結果可為自然環(huán)境中氚和碳-14污染的生態(tài)風險評價提供參考。