文献解读：常规和可生物降解微塑料对土壤-大豆系统的影响-根际微生物群落和土壤元素循环的研究

摘要：

微塑料（MPs）作为外源碳输入，特别是可生物降解的MPs，可能会严重破坏土壤微生物群落和土壤元素循环（CNPS），但这方面的研究很少。本研究主要研究了传统低密度聚乙烯（LDPE）、可生物降解的聚己二酸丁二酯（PBAT）和聚乳酸（PLA）MPs对土壤-大豆系统根际微生物群落和CNPS循环的影响。结果表明，与LDPE-MPs相比，PBAT-MPs和PLA-MPs对大豆生长的危害更大，导致结荚期地上部氮素减少14.05%和11.84%，地上部生物量减少33.80%和28.09%。溶解有机碳（DOC）增加了20.91%和66.59%，硝态氮（NO₃⁻-N）显著降低了56.91%和69.65%。PBAT-MPs和PLA-MPs主要增强了富营养细菌（Proteobacteria），抑制了寡营养细菌（Verrucomicrobiota, Gemmatimonadota等），增加了CNPS循环相关功能基因的丰度。LDPE-MPs倾向于富集寡营养菌群（Verrucomicrobiota等），降低CNPS循环相关功能基因的丰度。相关分析表明，不同降解特性的MPs选择性地影响了细菌群落的组成和功能，导致土壤养分有效性（尤其是NO₃⁻-N）的变化，冗余分析进一步表明NO₃⁻-N是大豆生长的主要制约因素。该研究为揭示MPs对土壤-植物系统的潜在生态效应提供了新的视角。    

研究背景：

由于塑料垃圾的大量生产和处置不当，微塑料（MPs; < 5mm）已成为全球性的环境污染物。它们不仅污染海洋、河流和大气，还通过农业活动进入土壤。据估计，目前全球土壤中MPs的含量高达150万至660万吨。MPs在土壤中的积累可以改变土壤的物理和化学性质，危害土壤动植物，并影响土壤微生物群落。

传统的不可降解聚乙烯（PE）是农业土壤中主要的MPs类型。为了减少MPs的环境风险，生物可降解塑料，如聚己二酸丁二酯（PBAT）和聚乳酸（PLA），已经被开发来取代传统塑料。然而，由于土壤湿度、温度或其他环境条件的限制，生物降解塑料很难在预期的时间内完全降解，相反，在相同的时间内，生物降解塑料比传统塑料产生更多的MPs。一些研究表明，生物MPs比传统MPs对植物的危害更大。然而，目前对土壤中的生物MPs的生态效应还缺乏足够的研究和风险评估，特别是与传统MPs相比。此外，具有较高生物有效性的生物MPs可能会极大地干扰土壤微生物群落和土壤元素循环（CNPS循环），但很少有研究关注这一问题。

土壤元素循环是指碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等元素在土壤中不同形态之间的转化，从而影响土壤生态系统的功能。一些研究表明，MPs可以通过改变土壤中微生物群落的组成或CNPS循环相关功能基因来影响土壤元素循环。然而，这些研究大多集中在土壤细菌群落和少数有限的功能基因上，并且经常进行没有植物的土壤培养实验，无法全面评估MPs对农业土壤生态系统中微生物介导的土壤CNPS循环的影响。植物根际是植物与土壤相互作用的区域。根际微生物通过参与土壤有机碳（SOC）分解和稳定来调节土壤养分含量和有效性和土壤氮、磷、硫循环。它们还以互惠或拮抗的方式与植物相互作用，影响植物生长。因此，研究MPs对根际微生物群落和土壤元素循环的影响，以及这些影响如何反馈到植物生长中，对于揭示MPs对土壤-植物系统的潜在生态效应至关重要。    

大豆根际是土壤氮循环的热点，大豆生长季通常使用地膜。目前，有少数研究表明，MPs可以影响大豆生长及其土壤微生物群落。本研究旨在研究传统MPs（LDPE-MPs）和生物MPs（PBAT-MPs和PLA-MPs）对土壤-植物系统根际微生物群落和CNPS循环的影响，并评价土壤理化性质和植物生长，从而揭示不同类型MPs对土壤-植物系统的潜在生态效应。

研究方法：

本研究建立了4个处理：对照（无MPs土壤）、LDPE-MPs（有LDPE-MPs土壤）、PBAT-MPs（有PBAT-MPs土壤）和PLA-MPs（有PLA-MPs土壤）。每个处理20个重复。MPs添加浓度2% (w/w)，研究MPs类型对根际微生物群落和土壤元素循环的影响。

种植植物为大豆，在播种后第5周（营养生长期：V）、第10周（开花期：F）和第13周（结荚期：P）采集植株样品，定期评估大豆的生长和生理性状。开花是植物生长的关键阶段，影响产量，并受养分，特别是氮的影响。因此，收集了开花期间根际土壤，研究了土壤的理化性质、根际微生物群落和土壤元素循环。

主要研究结果：

1、MPs对植物生长的影响

不同类型MPs对大豆生长的影响在不同生育期有所不同。MPs在营养和开花期对大豆茎高没有影响，但在结荚期显著降低（p < 0.05）（图1）。LDPE-MPs在开花期降低茎粗，PBAT-MPs在开花期和结荚期降低茎粗，PLA-MPs在整个生育期降低茎粗（p < 0.05）。MPs对根系生物量没有影响，但降低了茎生物量（p < 0.05）。在开花期和结荚期，LDPE-MPs处理的茎部生物量分别减少14.60%和21.35%，PBAT-MPs处理的茎部生物量分别减少24.87%和33.80%，而在营养期则没有减少。在PLA-MPs处理下，从营养期到结荚期，地上部生物量分别下降了19.02%、24.66%和28.09%（p < 0.05）。与对照相比，PBAT-MPs和PLA-MPs在整个生育期显著增加了根瘤数和根瘤生物量，而LDPE-MPs没有引起显著变化（除了营养期的根瘤生物量）。LDPE-MPs在开花期和结荚期叶绿素含量略有增加。而在整个生育期，PBAT-MPs和PLA-MPs处理的叶绿素含量呈下降趋势。在开花期和结荚期，PBAT-MPs和PLA-MPs处理的叶绿素含量低于LDPE-MPs处理。    

图1 MPs对大豆生长的影响

MPs对大豆氧化应激相关生理指标有影响。花期PBAT-MPs和PLA-MPs处理和结荚期所有微塑料处理的MDA含量均显著降低（p < 0.05）（图2）。在开花期LDPE-MPs、开花期和结荚期PBAT-MPs和结荚期PLA-MPs处理下，POD活性显著增强。MPs对SOD和CAT活性无显著影响。

图2 微塑料对大豆MDA含量、POD、SOD、CAT活性    

2、MPs对土壤理化性质的影响

与对照相比，LDPE-MPs和PBAT-MPs对土壤pH和含水量的影响不显著（p > 0.05）；添加MPs显著降低了土壤pH（p < 0.05），增加了土壤含水量（p < 0.05）。添加MPs显著提高了土壤TC和SOC含量（表1）。与对照相比，LDPE-MPs仅使DOC增加了5.08%，而PBAT-MPs和PLA-MPs分别使DOC增加了20.91%（p > 0.05）和66.59%（p < 0.05）。PBAT-MPs和PLA-MPs显著提高了DON、TN和AN含量（p < 0.05）。LDPE-MPs对NH₄⁺-N和NO₃⁻-N含量没有影响，而PBAT-MPs和PLA-MPs显著降低了土壤NO₃⁻-N含量，分别降低了56.91%和69.65%（p < 0.05）。此外，MPs对土壤TP、AP和AK含量没有显著影响，但显著降低了土壤TK含量（p < 0.05）。

表1 MPs对土壤理化性质的影响

LDPE-MPs对MBC和MBN没有影响（图3）。PBAT-MPs和PLA-MPs对MBN无显著影响，但显著提高了MBC（p < 0.05）。LDPE-MPs显著抑制土壤蔗糖酶（S-SC）活性，PBAT-MPs显著增强碱性磷酸酶（S-AKP）活性（p < 0.05），PLA-MPs显著增强土壤脲酶（S-UE）和S-AKP活性。此外，PLA-MPs显著降低过氧化氢酶（S-CAT）活性（p < 0.05）。

图3 土壤微生物生物量和土壤酶活性

3、MPs对土壤微生物群落的影响    

通过Shannon和Chao 1多样性指数评估细菌群落的α多样性（图4），PBAT-MPs和PLA-MPs显著降低了细菌群落的多样性（Shannon指数）和丰富度（Chao 1指数）（p < 0.05），而LDPE-MPs没有影响。此外，基于布雷-柯蒂斯差异矩阵的主坐标分析（PCoA）用于比较不同处理的细菌群落。所有处理的细菌群落都有明显差异，MPs显著改变了细菌群落结构（Anosim检验，p < 0.001）。

在门水平上，PBAT-MPs和PLA-MPs诱导的细菌群落组成变化比LDPE- MPs更显著，但也表现出相似的细菌群落。Proteobacteria，Actinobacteriota，Verrucomicrobiota，Acidobacteriota，和Bacteroidota是根际土壤的优势门，占总丰度的80%以上。PBAT-MPs和PLA-MPs处理下，Proteobacteria的相对丰度显著增加，而Actinobacteriota、Verrucomicrobiota、Acidobacteriota和Bacteroidota的相对丰度则显著降低。LDPE-MPs增加了Verrucomicrobiota，减少了Bacteroidota。LEfSe分析（LDA ≥ 4.0）鉴定了对照和不同类型MPs之间根际细菌群落的生物标志物。    

图4 根际微生物群落的变化

4、MPs对土壤元素循环的影响

采用高通量定量评价方法对66个CNPS循环相关功能基因进行了分析。CNPS功能基因图谱在图中呈现出明显的簇状结构，C循环（C降解、C固定和甲烷代谢）和N循环是主要的元素循环，其次是P循环和S循环（图5）。CNPS循环相关功能基因的总丰度被LDPE-MPs抑制，而被PBAT-MPs和PLA-MPs增强。

在对CNPS循环相关功能基因进行分类后，使用热图进一步显示不同处理之间功能基因绝对丰度的变化。总体而言，LDPE-MPs降低了大多数CNPS循环相关功能基因的绝对丰度，而PBAT-MPs和PLA-MPs则增强了它们的绝对丰度。对于碳循环，生物MPs促进了碳的固定和降解。PBAT-MPs显著增加了pccA和rbcL（C固定）、lig（木质素水解）的丰度（p < 0.05），PLA-MPs显著增加了frdA、mct和pccA（C固定）、cdh（纤维素水解）、mmoX（甲烷氧化）和mxaF（甲烷生成）的丰度（p < 0.05）。对于N循环，生物MPs主要促进反硝化和异化N还原。PBAT-MPs下nirS2（反硝化）和napA（异化N还原）丰度显著增加（p < 0.05），PLA-MPs下nirK1（反硝化）、napA（异化N还原）和ureC（氨化）丰度显著增加（p < 0.05）。在磷循环中，有机磷矿化主要由生物MPs促进。PBAT-MPs显著增加了有机磷矿化（phoD）丰度（p < 0.05），PLA-MPs显著增加了phnK和phoD（有机磷矿化）丰度。    

图5 不同类型MPs对土壤元素循环组成和丰度的影响

5、微生物、土壤元素循环与土壤养分之间的关系

Procrustes分析显示，土壤细菌群落与CNPS功能基因显著相关（p < 0.05）（图6）。相关热图显示了不同门与CNPS循环相关功能基因之间的非参数Spearman相关性。Proteobacteria与CNPS循环相关功能基因显著正相关，显著影响碳固定、甲烷代谢、氮循环和磷循环（p < 0.05）。Verrucomicrobiota、Gemmatimonadota、Elusimicrobiota和Nitrospirota是CNPS循环相关功能基因的重要负向因子。为了进一步了解CNPS循环相关功能基因与土壤养分之间的关系，基于它们之间的显著相关性进行网络分析。发现大多数CNPS循环相关功能基因与DOC呈正相关，与AP、NH₄⁺−N、NO₃⁻-N等呈负相关。    

图6 微生物群落、CNPS循环相关功能基因与土壤养分的关系

结论：

综上所述，本研究以大豆为模式植物，从根际微生物群落和土壤元素循环的角度揭示了常规MPs和可生物降解MPs对土壤-植物系统的不同生态效应。可生物降解MPs通过增加DOC，刺激根际CNSP循环（特别是反硝化作用），增强了富营养细菌（Proteobacteria），减少了寡营养细菌（Verrucomicrobiota、Gemmatimonadota）。这导致土壤养分（特别是NO₃^--N）缺乏，最终导致大豆茎高和生物量降低，叶绿素含量降低，根瘤数增加。与可生物降解MPs不同，耐降解的LDPE-MPs容易富集寡营养菌群（Verrucomicrobiota），从而抑制根际CNSP循环，对土壤养分含量和大豆生长影响较小。

这项研究强调了MPs暴露引起的根际微生物群落变化和营养失衡的风险。鉴于MPs在土壤中的持久性，有必要密切监测长期暴露MPs对土壤微生物群落和生物地球化学循环的影响。