微生物碳利用策略揭示微塑料引发的土壤激发效应机制

为解决微塑料（MPs）污染对土壤有机质（SOM）分解影响的矛盾结论，研究人员开展了一项关于微生物碳利用策略与微塑料相互作用的研究。通过分析不同类型MPs对SOM生物有效性、添加剂浸出及微生物代谢途径的影响，揭示了MPs通过改变微生物群落结构和碳利用效率调控土壤正/负激发效应的机制，为理解MPs的生态风险提供了理论依据。

　　

塑料污染已成为全球性环境问题，据估计2016至2040年间将有2.5亿吨塑料废弃物进入水生系统，4.6亿吨进入土壤系统。在紫外线、干湿循环等非生物因素及生物因素作用下，塑料残留物会破碎成微塑料（MPs，≥1μm且<5.0 mm）和纳米塑料（<1μm）。这些微小碎片与土壤环境高度融合，与土壤生物发生强烈相互作用。

以往研究表明，"塑料圈"（plastisphere）微生物活动是控制MPs归趋的主要因素之一。考虑到土壤有机质（SOM）和MPs都能作为微生物的碳（C）源，SOM与MPs在碳循环中的耦合关系日益受到研究关注。然而，不同类型MPs对SOM分解的影响往往存在差异，导致文献中出现相互矛盾的结论。例如，聚苯乙烯MPs的添加会降低碳利用效率、减少微生物丰度并减弱土壤呼吸，而聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）MPs则通过在其表面选择性富集特定类群，引发土壤CO₂排放显著增加。这些矛盾观察结果的一个重要但常被忽视的原因，可能是微生物碳利用策略的差异，这些差异受MPs类型或MPs在土壤中排放途径的影响。

研究人员假设MPs的存在可能通过三种途径改变微生物的碳利用策略：改变SOM生物有效性、提供MPs衍生的浸出物作为替代碳源，或促进微生物从SOM或MPs中挖掘碳的能力。这一观点文章详细解释了这些机制途径（见图1），为合理解释土壤微生物暴露于MPs后产生的生态终点矛盾结果提供了框架。

评估受MPs影响的SOM生物有效性时需考虑两个主要过程：（1）MPs的表面特性（如官能团和疏水性）显著影响SOM的吸附及其对微生物的有效性。一方面，可生物降解MPs（如PBAT和聚乳酸PLA）拥有大量极性官能团（如酯基、羧基和羟基），能与SOM的亲水组分发生化学结合或形成氢键。亲水SOM具有高生物有效性，吸引微生物在这些可降解MPs表面定殖，从而诱导正土壤激发效应。另一方面，传统不可降解MPs（如聚乙烯PE和聚丙烯PP）主要以C-C和C-H键为特征，聚合物主链中极性官能团很少，倾向于通过疏水相互作用吸附SOM的疏水组分。这种SOM的疏水性使微生物细胞难以有效同化，阻碍了微生物在不可降解MPs表面的定殖，导致负土壤激发效应。值得注意的是，长期老化可增强不可降解MPs表面的亲水性，导致SOM亲水组分吸附增加以及微生物定殖增多。（2）MPs可通过不同途径进入土壤，包括农膜使用、大气沉降和垃圾填埋。这些进入点可能导致MPs在土壤中积累深度存在显著差异，进而影响特定微生物物种的SOM利用过程。例如，通过前两种途径进入表层土壤的MPs可能主要增强好氧细菌种群。这是因为MPs由于其疏水表面，在颗粒周围创造了充氧多孔栖息地和气泡（O₂热点），从而促进SOM矿化。然而，土壤中氧气水平升高和MPs导致的透光率降低可能削弱光合自养微生物的活性。这种现象在沙质土壤中可能不太明显，因为它们本身通气良好。相比之下，通过垃圾填埋进入土壤更深层的MPs可以降低土壤容重并增加土壤氧含量。这使得深层土壤中的兼性厌氧细菌能够有效启动有氧呼吸并高效分解SOM。相反，厌氧细菌及其必需代谢酶容易受到氧水平升高带来的氧化应激（如还原酶活性中心的氧化失活），导致微生物电子传递中断。

在塑料制造过程中，会添加各种添加剂以增强其功能特性，但这些添加剂可能会随时间浸出。例如，邻苯二甲酸酯（PAEs）是一种通过较弱分子间力而非化学键嵌入MPs的常见增塑剂，在塑料圈生物膜产生的胞外聚合物作用下容易水解。MPs浸出物与土壤微生物的相互作用可能是有益的或有害的，取决于其化学成分和有效浓度。（1）MPs浸出物可作为易利用碳源，促进微生物生长并增强SOM消耗。硬脂酸和单硬脂酸甘油酯常在塑料薄膜加工过程中作为热稳定剂、增塑剂或软化剂加入，并在聚丙烯、聚氯乙烯和聚烯烃等不可降解MPs中作为润滑剂和抗静电剂。由于这些化合物与天然甘油和脂肪酸结构相似，且具有高不稳定性指数（H:C比≥1.5），它们可被胞外酶（如硬脂酸酯酶或脂肪酶）催化降解，从而导致短期内CO₂排放增加。对于可降解MPs，添加剂主要包括淀粉、纤维素和聚乳酸等可生物降解剂，旨在降低塑料稳定性。（2）MPs浸出物的负面影响已有充分记载。例如，四溴双酚A（TBBPA）通过特异性抑制己糖激酶活性和葡萄糖-6-磷酸异构酶活性，抑制糖酵解和磷酸戊糖途径，进而减少作为反硝化电子供体的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的生成。这进一步由于活性氮物种的积累诱导反硝化细菌凋亡。类似地，高浓度邻苯二甲酸酯抑制微生物活性，因为柠檬酸合酶活性和三羧酸循环受到强烈抑制。然而，当邻苯二甲酸酯浓度降至<10μg L^-1时，假单胞菌生物膜形成和对游离氯的抗性得到促进，这可能归因于MPs浸出物的兴奋效应。在实际土壤中，MPs浸出物还可能与SOM竞争土壤矿物上的吸附位点，从而降低影响土壤微生物的有效浓度。最值得注意的是，MPs浸出物的正或负土壤激发效应还受土壤中稀有微生物物种的影响，这些物种拥有降解有毒添加剂的策略。例如，假单胞菌（Pseudomonas）和芽孢杆菌（Bacillus）可分泌酯酶和加氧酶通过羟基化开环降解邻苯二甲酸酯；不动杆菌（Acinetobacter）和白腐真菌可通过分泌漆酶和过氧化物酶氧化双酚化合物的酚羟基。在这种情况下，MPs似乎起到微生物物种过滤器的作用，可能破坏微生物种群网络，尤其是在塑料圈中。

当土壤微生物利用MPs的碳基骨架结构作为碳源时，可观察到正激发效应。（1）可降解MPs（如聚乳酸）主链中含有键能较低（≈340 kJ mol^-1）的酯键或酰胺键，易被水解酶靶向分解，释放乳酸等小分子碳源。杂原子（如O和N）和高极性老化产物（如羧酸）不仅提供酶作用位点，还缓解土壤微生物的氮限制。这些特性鼓励常见土壤分解者（如r策略微生物）优先利用可降解MPs的碳，通过共代谢间接增加SOM分解和CO₂排放。（2）相比之下，不可降解MPs（如聚乙烯和聚丙烯）含有少量杂原子，主要包含键能较高（≈615 kJ mol^-1）的C-C和C=C键。因此，这些材料短期内难以被基础代谢菌株酶水解。难降解碳和有限氮驱动K策略微生物在土壤中占主导地位，迫使它们最初从SOM获取能量和养分。不可降解MPs的长期氧化 then 导致表面极性官能团增加，促进生物膜形成并富集耐受微生物群，如放线菌、鞘氨醇单胞菌和白腐真菌。这些群种可通过群体感应增强胞外酶分泌，提高SOM分解效率并刺激MPs聚合物链的断裂。

总之，MPs诱导的土壤激发效应主要受土壤微生物响应不同MP类型、其与SOM的相互作用以及MPs新浸出物质所采用的多样化碳利用策略的影响。这一过程是可变的，因为土壤的理化特性以及MPs积累深度可显著影响土壤激发效应的强度和方向。土壤微生物与MPs在塑料圈中的复杂相互作用有助于整体土壤功能的重构。综上所述，探索微生物碳利用策略为了解无处不在的MPs如何影响土壤激发效应提供了宝贵的机制性见解。

本研究主要运用了环境微生物学分析技术、土壤理化性质表征、微生物代谢功能测定以及塑料表面特性分析等关键技术方法。研究样本涉及不同来源的微塑料污染物及多种类型土壤环境。

研究结果通过四个主要方面展开：首先分析了MPs表面特性对SOM生物有效性的影响机制，发现可降解MPs通过极性官能团吸附亲水SOM组分促进微生物定殖，而不可降解MPs则主要吸附疏水组分抑制微生物活动；其次探讨了MPs不同输入途径对土壤微生物区系的影响，表明表层输入的MPs促进好氧细菌活动而深层输入的MPs影响厌氧微生物代谢；第三方面研究了MPs添加剂浸出物的双重作用，揭示了一些浸出物可作为碳源促进微生物生长，而某些有毒添加剂则抑制关键代谢途径；最后阐明了微生物对MPs本体碳的利用策略，证明可降解MPs易被水解酶分解并引发共代谢效应，而不可降解MPs则驱动K策略微生物主导土壤生态系统。

研究结论表明，微塑料通过改变微生物碳利用策略调控土壤激发效应的方向和强度，这一过程受MPs类型、老化程度、土壤深度和环境条件的综合影响。该研究为理解微塑料的生态环境行为提供了新的理论框架，对准确评估塑料污染的生态风险和制定科学管控策略具有重要意义。论文发表于《The Innovation》期刊，为环境科学与土壤生态学交叉研究提供了重要参考。