冻融循环与可生物降解微塑料对黑钙土中阿特拉津微生物降解的影响机制研究

《eClinicalMedicine》：Freeze-thaw cycles and biodegradable microplastics alter the microbial degradation of atrazine in mollisols

本研究针对全球变暖背景下冻融循环(FTCs)频发与农田可生物降解微塑料污染并存的环境问题，通过模拟不同冻融模式(频率/解冻温度)探究PBAT微塑料对阿特拉津降解的复合效应。结果表明冻融循环显著抑制阿特拉津降解(平均抑制率33.69%)，解冻温度是驱动微生物群落结构变化的关键因子；微塑料(0.2%)通过改变微生物互作网络和功能基因调控降解过程，在高频高温冻融模式下呈现促进作用。该研究为寒区可降解地膜管理及除草剂应用策略提供理论依据。

　　

随着全球气候变暖的加剧，季节性冻土区正经历着日益频繁的冻融循环过程。与此同时，农业领域为保墒增温而广泛使用的地膜覆盖技术，导致大量塑料残留物以微塑料(<5 mm)形式进入土壤环境。尽管可生物降解地膜作为传统塑料的替代品被推广，但其降解过程中产生的微塑料可能带来新的生态风险。尤其值得关注的是，在冻融交替的物理化学作用下，微塑料与共存污染物（如广泛使用的除草剂阿特拉津）的交互效应尚不明确。这种知识空白制约了寒区农田生态风险的准确评估和农业管理策略的优化。

为揭示冻融循环与可生物降解微塑料对有机污染物环境行为的复合影响，由中国科学院南京土壤研究所领衔的研究团队，在《eClinicalMedicine》上发表了创新性研究成果。研究人员以典型黑钙土为介质，选择全球使用量最大的三嗪类除草剂阿特拉津作为目标污染物，采用聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)作为可生物降解微塑料的代表，通过精密设计的实验室模拟实验，系统探究了不同冻融模式（高频/低频、高温/低温解冻）下微塑料对污染物降解效率、微生物群落结构和功能基因表达的影响规律。

本研究主要采用以下关键技术方法：通过设置四种冻融模式（模式1：高频低温；模式2：高频高温；模式3：低频低温；模式4：低频高温）模拟不同气候情景；运用扩散梯度薄膜技术(DGT)测定阿特拉津生物有效性；利用扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)和X射线光电子能谱(XPS)表征微塑料老化特性；结合16S rRNA高通量测序和宏基因组学解析微生物群落结构与功能变化；采用共现网络分析和偏最小二乘路径模型(PLS-PM)揭示多因子相互作用机制。

3.1 冻融循环和微塑料对阿特拉津降解的影响

研究发现冻融循环是抑制阿特拉津降解的主导因素，恒定温度条件下的降解率比冻融处理高47.3%。解冻温度是调控降解效率的关键参数，低温解冻（5°C）或高频冻融均显著降低降解率。微塑料（0.2% PBAT）在不同冻融模式下表现出差异化效应：除高频高温模式（模式2）呈现促进趋势外，其他模式均轻微抑制降解。这表明在气候变化导致解冻温度升高的背景下，微塑料可能通过调控微生物功能而减弱其对污染物降解的抑制作用。

3.2 不同冻融模式和微塑料对阿特拉津生物有效性的影响

高频冻融（模式1-2）显著提升阿特拉津生物有效性，较低频模式（模式3-4）提高约2-3倍，这源于冻融作用破坏土壤团聚体结构，促进污染物解吸。微塑料在低温解冻条件下（模式1）通过吸附作用降低生物有效性，但在高温解冻条件下（模式2）因聚合物老化导致极性增加，吸附能力减弱。这种温度依赖性的微塑料-污染物相互作用机制，揭示了气候变暖可能改变微塑料的环境行为。

3.3 土壤细菌群落多样性分析

解冻温度而非冻融频率是驱动微生物群落结构变化的主要因子。高温解冻模式（模式2、4）促进优势菌门（变形菌门、放线菌门）增殖，其总相对丰度超过90%。微塑料对α多样性的影响具有模式特异性：在高频冻融下减少稀有类群丰度，在低频冻融下增加中等丰度类群。这种差异响应表明微生物对复合胁迫的适应策略存在频率依赖性。

3.4 土壤细菌群落组成

PBAT微塑料显著改变特定细菌类群的相对丰度：高温解冻模式下提升放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）丰度，这两类菌群已知具有阿特拉津和塑料降解能力。值得注意的是，微塑料对稀有类群（相对丰度<0.1%）的影响更为显著，表明低丰度微生物在维持群落功能稳定性中可能发挥关键作用。

3.5 共现网络和关键物种分析

微生物共现网络拓扑结构显示，微塑料在高频低温模式（模式1）降低网络复杂度，而在其他模式增强微生物互作。模块枢纽（module hubs）分析发现，微塑料诱导酸杆菌门（Acidobacteria）成为新的关键物种，尽管其不直接降解阿特拉津，但可能通过种间互作间接影响降解过程。这种网络结构的重塑体现了微生物群落对复合胁迫的功能适应性。

3.6 冻融循环和微塑料对土壤宏基因组的影响

宏基因组学分析揭示微塑料显著改变碳水化合物代谢、能量代谢和膜转运相关基因表达。特别发现微塑料普遍抑制阿特拉津上游降解基因（COG0402）丰度，该基因簇负责脱氯、脱烷基等关键步骤。但在高频高温模式（模式2）下，微塑料同时提升PBAT代谢基因和 citrate cycle（柠檬酸循环）通路基因表达，说明微塑料降解产物可能为降解菌提供额外碳源。

3.7 冻融循环、微塑料与阿特拉津降解的关系

通过鉴定17个阿特拉津降解菌属（如Rhodococcus、Streptomyces等），发现放线菌门降解菌与降解效率呈显著正相关。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)证实解冻温度是对降解效率贡献最大的正因子（标准化总效应0.79），而冻融频率和微塑料主要呈现抑制作用。模型拟合优度(GoF)达0.86，良好解释了多因子相互作用机制。

本研究通过多学科交叉方法系统阐明了冻融循环与可生物降解微塑料影响污染物降解的生态机制。主要结论包括：首先，冻融循环是抑制阿特拉津降解的主导因素，解冻温度通过调控降解菌活性和污染物生物有效性成为关键驱动因子；其次，微塑料在短期冻融条件下整体影响有限，但通过改变微生物网络结构和功能基因表达调控降解过程；最后，高频高温冻融模式（模拟气候变暖情景）下，微塑料可能通过促进微生物代谢功能而减弱对污染物降解的抑制。

该研究的创新价值在于首次量化了冻融模式参数（频率/温度）与可生物降解微塑料的交互效应，揭示了温度依赖性微生物响应机制。研究结果对寒区农业管理具有重要指导意义：在低温高频冻融区域需谨慎使用除草剂，而可降解地膜在变暖背景下可能呈现环境友好特性。未来研究需关注长期冻融条件下微塑料老化过程与污染物降解的耦合机制，为可持续农业实践提供更全面的科学依据。