论文DOI: 10.1016/j.jhazmat.2025.137889
近日，南开大学环境科学与工程学院孙红文教授研究团队在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Insights into soil microbial assemblages and nitrogen cycling function responses to conventional and biodegradable microplastics”的研究论文。本研究揭示了传统不可降解微塑料（MPs）和可降解MPs对土壤微生物群落及氮循环功能的不同影响。可降解的聚乳酸（PLA）MPs显著促进了与污染物降解有关的微生物生长。在高浓度条件下，PLA MPs增加了固氮基因（nifH）和反硝化功能基因（nirK和nirS）的丰度，改变了氮循环功能微生物群落结构。与聚氯乙烯（PVC）MPs相比，PLA MPs对土壤关键生态过程的干扰更为显著。这些研究结果对于理解传统不可降解MPs和可降解MPs对土壤环境的压力至关重要，并强调了制定相应策略以降低其风险的重要性，有利于促进农业可持续发展。
可降解MPs被提出作为传统不可降解MPs的替代品，然而其对土壤微生物群落和生态功能的具体影响仍未被充分理解。本研究比较了可降解的聚乳酸（PLA）MPs和传统不可降解聚氯乙烯（PVC）MPs对土壤微生物群落及氮循环的影响。结果表明，2%（w/w）的PLA MPs和PVC MPs均短暂刺激了荧光素二乙酸酯水解酶（FDAse）活性，而7%（w/w）的PVC MPs则在初期抑制FDAse活性，随后又促进其恢复。PLA MPs（2%和7%，w/w）显著降低了细菌多样性，并改变了群落结构，富集了与降解复杂化合物有关的菌群（诺卡氏菌属、节杆菌属、农杆菌属、链霉菌属、囊霉菌属和Ramlibacter属）。相比之下，PVC MPs（2%和7%，w/w）对细菌多样性的影响较小，仅在高浓度（7% w/w）下引发了短暂的群落结构变化。网络分析表明，PLA MPs增加了微生物群落的复杂性，并促使降解MPs的微生物类群成为关键物种。在两种浓度下，PLA MPs均显著提高了固氮基因（nifH）和固氮细菌（如慢生根瘤菌）的丰度，同时对氨单加氧酶A亚基基因（AOB amoA）的影响持续至第90天。在高剂量（7% w/w）下，PLA MPs富集了亚硝酸还原酶基因（nirK和nirS），增加了铜绿假单胞菌属、假节杆菌属和共生菌属等反硝化细菌的丰度。相比之下，PVC MPs对氮循环功能的影响较为短暂。该研究结果对于促进可持续农业和管理土壤生态系统中MPs带来的环境风险具有重要意义。
微塑料（MPs，平均直径 < 5 mm）作为一种全球变化因子，在各种环境介质中都被广泛检出，包括淡水、海洋、土壤和大气。由于MPs可能对生态系统造成不利影响，它们已引起广泛关注。PVC是全球第三大使用量的聚合物，也是农田中最常检测到的MPs之一，其浓度在悉尼工业区表层土壤中可达6.7%（w/w）。研究表明，PVC MPs在土壤中持续积累对土壤的理化性质产生负面影响。鉴于传统MPs带来的环境风险，可降解塑料（如PLA）被逐步推广为不可降解塑料的替代品。由于可降解塑料的降解速率较快，可能比传统MPs更容易促进MPs在土壤中的积累，对土壤微生态产生威胁。然而，目前尚不清楚传统不可降解（PVC）和可降解（PLA）MPs在不同浓度下对土壤微生物群落的影响，尤其是在由特定功能微生物驱动的多样化土壤生态过程中。
目前，关于传统不可降解MPs和可降解MPs对农业生态系统中氮循环功能影响差异的研究仍然较少。由于实验设计的差异（包括MPs类型、粒径、剂量、土壤质地、实验设置（如室内培养vs田间研究）、培养时间等因素），目前难以得出一致的结论。随着PLA塑料的广泛使用，全面了解其对土壤生态系统的影响，及其与PVC MPs的影响差异，显得尤为重要。
细菌丰度及多样性的变化特征
由图1可知，在培养期90天时，2%（w/w）PLA MPs处理显著增加了土壤中的细菌丰度；7%（w/w）PLA MPs处理后，在15天到90天培养期内显著增加了土壤中的细菌丰度（p < 0.05）。而在两个剂量的PVC MPs处理后，土壤细菌丰度均未发生显著变化。
图1：不同剂量PLA MPs和PVC MPs处理后土壤中16S rRNA基因丰度和氮循环功能基因（nifH、AOAamoA、AOBamoA、nirK和nirS）丰度在整个培养期内的变化。误差棒表示平均值的标准误差（n = 4）
由图2可知，2%（w/w）PLA MPs处理后，在60天到90天培养期内，土壤细菌Shannon指数受到显著抑制，7%（w/w）PLA MPs处理后，在整个培养周期内，细菌Shannon指数均受到显著抑制。另外，在整个培养周期内，2%（w/w）和7%（w/w）PVC MPs处理后，土壤细菌Shannon指数未受到显著影响。
图3：不同剂量PLA MPs和PVC MPs在90天暴露期土壤细菌群落的基于Bray-Curtis距离的主坐标分析
由图3可知，与对照相比，2%（w/w）PLA MPs处理后，在培养30天至90天内，细菌群落结构受到显著影响；7%（w/w）PLA MPs处理后，在整个培养周期内均对土壤细菌群落产生显著影响。另外，两个不同浓度PLA MPs处理组中的细菌群落结构，在整个培养期内具有显著差异。与对照相比，2%（w/w）PVC MPs处理在整个培养期内对细菌群落结构未产生显著影响。7%（w/w）PVC MPs处理在培养前期（15天内），显著改变了细菌群落结构，之后便与对照无显著差异。
敏感细菌属
图4：在MPs处理和对照中相对丰度显著不同的属，由DeSeq2确定（p < 0.05），细菌属的相对丰度在处理组显著高于对照组时用红色标注，反之用蓝色标注。
如图
4
所示，
2%
（
w/w
）和
7%
（
w/w
）
PLA MPs
处理后，在整个培养期内，类诺卡氏属
（
Nocardioides
）
、节细菌属
（
Arthrobacter
）
、芽球菌属
（
Blastococcus
）
、壤霉菌属
（
Agromyces
）
、拟无枝酸菌属
（
Amycolatopsis
）
、韩国生工属
（
Kribbella
）
、假诺卡氏菌属
（
Pseudonocardia
）
、
糖丝菌属（
Saccharothrix
）、沙壤土杆菌属（
Ramlibacter
）、
Lechevalieria
、
慢生根瘤菌属
（
Bradyrhizobium
）
显著增加，溶杆菌属
（
Lysobacter
）
、鞘氨醇单胞菌属
（
Sphingomonas
）
、芽孢杆菌属
（
Bacillus
）、链霉菌属（
Streptomyces
）
、
Clostridium_sensu_stricto_1
、
RB41
、
Gaiella
、
MND1
、
布氏杆菌属（
Bryobacter
）
、黄色类固醇杆菌属
（
Steroidobacter
）
、红色杆菌属
（
Rubrobacter
）
显著减少。另外，在
7%
（
w/w
）
PLA MPs
处理后，大理石雕菌属
（
Marmoricola
）
在整个培养期内显著增加。
微生物网络结构变化特征
从表1和图5可知，虽然2%（w/w）PLA MPs处理组的网络节点数（346）小于2%（w/w）PVC MPs处理组的网络节点数（399），但2%（w/w）PLA MPs处理组形成的微生物网络连线数量（1413）大于2%（w/w）PVC MPs处理组形成的微生物网络连线数量（1103）。7%（w/w）PLA MPs处理组形成的微生物网络大小（255个节点和417条边）显著大于7%（w/w）PVC MPs处理组形成的微生物网络大小（219个节点和239条边）。
与2%（w/w）PVC MPs处理相比，2%（w/w）PLA MPs处理组的平均聚集系数和平均度分别升高0.023和2.639。与7%（w/w）PVC MPs处理相比，2%（w/w）PLA MPs处理组的平均聚集系数和平均度分别升高0.018和0.266。这些研究结果共同表明，与PVC MPs处理的形成的微生物共线性网络相比，PLA MPs处理显著增加了微生物共线性网络的复杂性（网络大小、平均聚集系数、平均度）。
图5：不同剂量PLA MPs和PVC MPs处理后土壤细菌的共线性网络分析。对照组和MPs处理之间存在强相关性（Spearman 's r > 0.8）和显著相关性（p < 0.01）。每个节点的大小与连接数（度）成正比。红色的连线表示细菌节点之间的正相关作用，而蓝色的连线表示细菌节点之间的负相关作用。每个节点的颜色根据细菌门进行着色。
表1对照组和PLA MPs、PVC MPs处理组中细菌网络图的拓扑学参数
如图1所示，2%（w/w）PLA MPs处理短暂促进了AOAamoA，nirK和nirS的基因丰度，促进作用均在培养90天时消失。然而，AOBamoA和nifH在低剂量PLA MPs处理组中和nifH，AOBamoA，nirK，nirS在高剂量PLA MPs处理组中的基因丰度，在培养期90天内刺激效应依然存在（p < 0.05）。2%（w/w）PVC MPs处理对nifH，AOAamoA， AOBamoA，nirK，nirS无显著影响（p > 0.05）。7%（w/w）PVC MPs处理对AOAamoA，AOBamoA，nirK和nirS的基因丰度在培养60天内产生短暂刺激效应，对nifH的基因丰度在培养7天内产生短暂抑制作用（p < 0.05）。
如图6所示，慢生根瘤菌属在第7天至第90天内均显著富集，贪铜菌属在第7天至第90天内均显著富集，Pseudarthrobacter属在第7天至第60天内富集，而剑菌属在多个时间点（第7、30、60和90天）表现出显著富集。
图6：LEfSe 分析显示PLA M2处理组和对照组中氮循环细菌属的相对丰度差异。
图7：不同剂量PLA MPs处理后，在不同培养周期内的土壤细菌群落的功能分布。误差棒表示均值的标准误差（n = 4），*表示与对照组相比p < 0.05有显著差异。
在PLA M1处理下，与对照组相比，与碳循环相关的功能类群（即化能异养、好氧化能异养和芳香化合物降解）的相对丰度在第15天和第60天显著增加，而与氮循环相关的功能类群（即硝酸盐呼吸、固氮和氮呼吸）的相对丰度在第60天和第90天显著提高（p < 0.05，图7）。在PLA M2处理下，上述与碳循环相关的功能类群的相对丰度显著增加，而与脲酶活性、硝酸盐还原、纤维素降解和几丁质降解相关的功能类群在整个90天实验周期内显著降低（p < 0.05）。相比之下，PVC MPs对土壤生态功能产生短期扰动，该影响在第90天时已消失（p > 0.05）。
研究结果表明，MPs对土壤生态系统的影响在很大程度上取决于MPs的类型和浓度。与PVC MPs相比，PLA MPs对土壤微生物群落和生态功能的影响更加显著。这种差异可能源于PLA MPs的可生物降解特性，某些异养微生物可以代谢PLA，从而导致土壤生态系统发生更大程度的扰动。PLA MPs显著降低了细菌多样性，改变了细菌群落结构，并增加了具有污染物降解功能的细菌属丰度（如诺卡氏菌属、节杆菌属、农杆菌属、链霉菌属、囊霉菌属和Ramlibacter属）。微生物网络的复杂性在PLA MPs和PVC MPs处理之间也存在明显差异，PLA MPs的暴露导致了更加复杂的微生物网络结构。低浓度（2% w/w）的MPs增加了微生物网络复杂性，而高浓度（7% w/w）则导致网络结构变得更简单、更松散，并加速了微生物群落对环境扰动的响应。PLA MPs进一步增强了碳循环相关的关键功能，如化能异养、好氧化能异养和芳香族化合物降解，同时通过增加氮循环基因（低浓度2% w/w下的AOB amoA和nifH，高浓度7% w/w下的nifH、AOB amoA、nirK和nirS）的丰度，促进了氮循环过程。相比之下，PVC MPs在两种浓度下仅短暂影响了土壤FDAse活性及生态功能。本研究为MPs的生态风险评估提供了理论基础，同时为环境管理策略提供参考，以尽可能降低MPs对土壤健康的影响。未来研究应重点关注长期田间实验，以评估可生物降解与传统MPs在真实农作条件下对土壤、植物及根际氮循环微生物网络的影响。
第一作者：戎丽丽，
南开大学环境科学与工程学院助理研究员。主要从事新污染物土壤环境效应。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金会与天津市联合资助（特别资助）项目。共发表SCI论文11篇，以第一作者发表SCI论文6篇，总他引442次。邮箱：[email protected]
通讯作者：汪玉，
南开大学环境科学与工程学院副教授，主要从事新污染物环境行为及效应研究。主持国自然青年和面上项目、天津市青年基金以及国家重点研发计划子课题等项目；共发表SCI论文50篇，在ES&T和EI等环境科学权威期刊上发表一作及通讯论文20篇；申请及授权专利2项；获2022年度广东省自然科学二等奖（排名2/10）。担任SCI期刊Toxics新污染物分区编委以及《农业环境科学学报》青年编委。通讯邮箱：[email protected]
通讯作者：孙红文，
教授、博士生导师，现任职于南开大学环境科学与工程学院，国家杰出青年基金获得者（结题时获得优秀）、教育部长江学者特聘教授、国家万人计划科技领军人才，百千万人才工程国家级人选，国务院政府特贴、全国三八红旗手称号、天津市劳动模范称号、天津市五一劳动奖章获得者。主要致力于水和土壤环境污染化学与生态修复研究。承担国家十三五重点研发计划项目（首席）、国家基金重点、973计划课题、863前沿探索等重大项目，共发表论文440余篇，其中SCI论文290余篇，入选Elsevier中国高被引学者。以第一完成人获得省部级一等奖2项，二等奖1项。通讯邮箱：[email protected]
JHM家族期刊包括Journal of Hazardous Materials (JHM)，Journal of Hazardous Materials Letters (JHM Letters), 和Journal of Hazardous Materials Advances (JHMA)。三本期刊拥有相同的scope，侧重在环境危险物质的迁移，影响，检测，和去除。旗舰期刊JHM发表高水平科研和综述文章，JHM Letters完全开放获取，发表Letter-type科研和前沿综述文章（3000字限制，4副图/表），JHMA定位为中档开放获取期刊。
来源：
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