Changes of Prokaryotic Communities in Biofilm Formation on Microplastics in Coastal Seawaters

Abstract

해양 내 플라스틱은 다양한 미생물에 의해 빠르게 부착되며, 해양 미생물에게 서식지를 제공한다. 기존 연구는 해양 내 미세플라스틱을 수집하여 미세플라스틱에 서식하는 미생물 군집에 대한 연구가 수행되었다. 미세플라스틱에 서식하는 미생물 군집은 노출 시간에 영향을 받을 수 있다는 것을 시사했다. 그러나 초기 미세플라스틱 원핵생물 군집 구조에 대한 연구는 현재까지 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 연안 해수에서 다섯 가지 재질의 미세플라스틱에 대한 현장 배양 실험을 통해 초기(1–14 일) 미세플라스틱 생물막의 원핵생물 군집 구조와 특성을 조사하였다. 16S rRNA 유전자를 기반한 차세대 염기서열 분석을 통해 미세플라스틱 생물막 형성에 대한 원핵생물 군집 구조와 특성을 밝혀냈다. 미세플라스틱 군집과 주변 환경 해수 군집은 확연히 구분되었다. 또한 미세플라스틱 군집은 미세플라스틱의 재질보다 노출 시간에 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히 미세플라스틱 군집에서 확인된 주요 ASV는 OHCB (Obligate Hydrocarbonoclastic Bacteria)와 관련되어 있었으며, 미세플라스틱 재질에 따라 특이적으로 나타나는 ASV도 존재했다. 또한 일부 미세플라스틱 군집의 주요 분류군의 상대 풍부도는 시간에 따라 변화하였다. 더 나아가 미세플라스틱 군집에서 벤조산 및 다환 방향족 탄화수소를 분해하는 대사 경로는 시간이 지남에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 초기 미세플라스틱 원핵생물 군집 구조와 기능은 시간적 변동성을 가진다는 것을 보여주었다. 본 연구는 초기 미세플라스틱 원핵생물 군집 조성에 대한 이해와 생물막 형성 메커니즘을 이해하기 위한 기초 지식을 제공하며, 더 나아가 해양 미세플라스틱 오염에 대한 향후 연구에 기여할 수 있다.

Plastic debris is rapidly colonized by diverse microorganisms, providing microbial niches in marine biota. Previous investigations have been conducted on microbial communities of microplastics collected from the environment, and the results were diverse. These results suggested that microplastics could be influenced by exposure time. Moreover, prokaryotic communities in the initial stages of microplastic biofilm formation remain poorly understood. In this study, we investigated the initial stages (Day 1–14) of prokaryotic communities on five polymer types exposed for different time periods in coastal seawater using in situ incubation. Next–generation amplicon sequencing based on the 16S rRNA gene was used to reveal the prokaryotic composition of the biofilm formation on microplastics, depending on the exposure time and polymer type. The microplastic-associated prokaryotic communities exhibited distinct community composition and structure, clearly differentiating them from the bulk seawater communities. The microplastic-associated prokaryotic communities were influenced by exposure time rather than polymer types based on Bray-Curtis dissimilarity distance. Furthermore, the analysis revealed that the microplastic samples exhibited a higher abundance of amplicon sequence variants (ASVs) associated with obligate hydrocarbonoclastic bacteria (OHCB) compared to the seawater samples. Additionally, specific ASVs were observed depending on the types of polymers present in the microplastics. Moreover, the relative abundances of major taxa in microplastic communities exhibited temporal variations. The results revealed that the initial prokaryotic communities showed dynamic characteristics, characterized by fluctuations in composition and structure. In addition to, microplastic-associated functions of benzoate degradation and polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) degradation represented that microplastic communities exhibited an increase in these functions over time. This study offers insights into the formation of microplastic biofilms during the initial stages and establishes a baseline for understanding the mechanisms underlying microbial microplastic biofilm formation. Furthermore, our research could provide fundamental knowledge to support further study on marine microplastic pollution.