Plastic Biofilms as Hotspots of Nitrogen Cycling in Estuarine Ecosystems: Comparative Ecological, Genomic, and Transcriptomic Analysis Across Substrates

生物膜 生物地球化学 基因组 生物地球化学循环 氮气循环 营养循环 生物 生态学 微生物种群生物学 微生物生态学 生态系统 磷酸戊糖途径 微生物垫 环境化学 化学 细菌 氮气 生物化学 糖酵解 新陈代谢 有机化学 蓝藻 遗传学 基因
作者
Xinrong Huang,Leyang Yang,Shu‐Yi‐Dan Zhou,Lei Zhong,Guanghui Xu,Mohan Bi,Xiao‐Ru Yang,Xiaoxuan Su,Matthias C. Rillig
出处
期刊:Global Change Biology [Wiley]
卷期号:31 (7)
标识
DOI:10.1111/gcb.70329
摘要

ABSTRACT Biofilms represent a ubiquitous microbial lifestyle that facilitates colonization, symbiosis, and nutrient cycling, shaping environmental chemical transformations. In the Anthropocene, the proliferation of artificial surfaces, particularly plastics, has introduced novel and artificial ecological niches for microbial colonization. However, the biogeochemical potential of biofilms on these emerging artificial substrates remains largely unknown. Here, using 15 N tracing, amplicon, metagenome, and metatranscriptomic sequencing, we explore nitrogen (N) potential biogeochemistry across artificial and natural biofilms as well as the bulk seawater. Our results reveal that plastic biofilms exhibit enhanced N transformation potential, including elevated nitrification (2~45‐fold), denitrification (5~44‐fold), and N 2 O production (3~13‐fold) rates, compared to natural biofilms and ambient seawater. This functional shift corresponds to distinct microbial community structures, driven by active N‐cycling taxa and metabolic pathway reconfigurations on plastic surfaces. We also observe that carbohydrate metabolism pathways, such as glycolysis and the pentose phosphate pathway, were highly expressed in plastic biofilms, with transcriptional levels of glk (encoding glucokinase) and PGK (encoding phosphoglycerate kinase) increased by 6‐ and 2‐fold, respectively. Our findings depict the role of plastic biofilms as active participants in estuarine N cycling and underscore the broader implications of plastic pollution on ecosystem biogeochemistry.
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