丛枝菌根真菌和球囊菌素介导了微塑料对土壤碳储存的影响

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Arbuscular mycorrhizal fungi and glomalin mediate the effects of microplastics on soil carbon storage

本研究通过盆栽控制实验，探讨非降解（PVC）和可降解（PLA）微塑料对土壤有机碳（SOC）、Gr泥炭相关土壤蛋白（GRSP）及丛枝菌根真菌（AMF）群落的影响。结果表明，可降解微塑料显著提高SOC（平均33.09%）和GRSP含量，并改变细菌及AMF群落结构，增强其协同网络稳定性，其中Proteobacteria、Glomus和Paraglomus起关键作用。随机森林模型显示，GRSP是影响SOC固存的主途径。该研究揭示了微塑料通过调节GRSP介导的微生物过程影响碳循环的机制，为评估土壤微塑料生态风险提供理论依据。

　　在当今环境科学研究中，微塑料污染已成为全球关注的重要议题之一。微塑料作为微小的塑料颗粒，其尺寸通常小于等于5毫米，广泛存在于各种生态系统中，包括土壤、水体和空气。随着人类活动的加剧，微塑料的排放量持续上升，对自然环境和生态系统的潜在影响也日益显现。尤其是在土壤生态系统中，微塑料不仅改变了土壤的物理化学特性，还对微生物群落的组成和功能产生了深远的影响。这些变化进一步影响了土壤有机碳（SOC）的存储与释放，从而对全球碳循环和气候变化产生了连锁反应。

本研究聚焦于微塑料对土壤碳动态的影响机制，特别关注非降解性和可降解性微塑料在土壤中所扮演的不同角色。研究团队通过控制的盆栽实验，系统分析了两种代表性微塑料——聚氯乙烯（PVC）和聚乳酸（PLA）——对土壤微生物相关碳指标的影响。实验结果显示，可降解性微塑料显著提高了SOC的含量，而非降解性微塑料虽然也有一定的促进作用，但效果相对较小。这一发现揭示了不同类型的微塑料在土壤碳存储中的差异化影响，也为理解微塑料对土壤生态系统的影响提供了新的视角。

土壤有机碳是地球表层最大的碳库之一，其稳定性对维持全球碳平衡具有重要意义。微塑料作为一种新型污染物，其对土壤碳循环的影响机制尚不完全清楚。研究表明，微塑料通过两种主要途径影响土壤碳动态：一方面，它们直接改变土壤的物理化学性质，进而影响SOC的转化过程；另一方面，微塑料的降解产物能够显著影响土壤微生物的活性和群落结构，从而干扰土壤碳的循环。土壤微生物在SOC的周转中起着关键作用，它们通过分泌胞外酶和生物合成活动调节碳的分解与积累。因此，微塑料对微生物过程的影响不仅限于物理层面，还涉及生态层面，可能通过改变微生物群落的组成和功能，间接影响SOC的稳定性。

微生物 necromass 碳（MNC）和与丛枝菌根真菌相关的土壤蛋白（GRSP）是土壤碳存储中两个非常重要的微生物产物。MNC 是微生物分解过程中产生的碳残留物，通常通过氨基酸糖进行量化。它在大多数土壤中占 SOC 的 35% 以上，是维持土壤碳库稳定性的关键组成部分。GRSP 是一种复杂的有机材料，由腐殖质、蛋白质和无机成分组成，约占 SOC 的 4-15%。它通过与土壤团聚体结合，增强有机碳的稳定性，并在土壤碳循环中发挥重要作用。此外，GRSP 对外界干扰非常敏感，气候、施肥、降水和耕作等环境因素会通过影响土壤的物理化学性质和微生物群落，从而改变 GRSP 的含量。

在这一背景下，研究团队特别关注了 AMF（丛枝菌根真菌）在土壤碳动态中的作用。AMF 是陆地生态系统中最广泛存在的植物共生微生物，对 SOC 的形成和稳定起着关键作用。研究发现，AMF 的 necromass 在 MNC 和整体土壤碳存储中的贡献比外生菌根真菌的 necromass 更为显著。此外，虽然 GRSP 的确切来源仍存在争议，但多项研究显示 GRSP 含量与 AMF 的丰度和菌丝长度之间存在强烈的相关性。这些发现表明，AMF 在调节土壤中微生物衍生碳方面起着核心作用。然而，目前关于 AMF 组成变化与微生物衍生碳之间的关系仍缺乏深入研究。

本研究通过实验手段，系统分析了 PVC 和 PLA 对 MNC 和 GRSP 的影响，以及微生物群落结构变化对微生物衍生碳的影响。研究结果表明，PVC 和 PLA 都能显著提高 SOC 的含量，但可降解性微塑料（PLA）的效果更为明显。特别是，PLA 治理下 SOC 的增加幅度高达 46.32%，而 PVC 治理下则为 19.86%。这一结果表明，可降解性微塑料在促进 SOC 存储方面具有更强的能力。此外，研究还发现，微塑料显著增强了 GRSP 的积累，这一过程主要通过影响 AMF 的多样性、微生物网络的稳定性以及土壤酶的活性实现。GRSP 在土壤碳存储中的作用尤为关键，它不仅能够提高 SOC 的稳定性，还可能通过调节微生物群落的结构和功能，影响土壤碳的动态变化。

进一步分析显示，微塑料对土壤微生物群落的结构产生了显著影响。无论是非降解性还是可降解性微塑料，它们都改变了土壤中细菌和 AMF 的组成，进而影响了微生物群落的相互作用网络。研究发现，尽管两种类型的微塑料对细菌的 α-多样性没有显著影响，但它们对微生物群落的 β-多样性产生了明显的影响。此外，微塑料还改变了 AMF 的组成，这一变化可能通过影响土壤中的营养状况和酶活性实现。研究结果表明，AMF 的多样性变化与微生物衍生碳的动态变化之间存在密切联系，而 GRSP 在其中起到了桥梁作用。

本研究的实验数据还显示，微塑料对植物生长具有一定的抑制作用。这表明，微塑料不仅影响土壤的碳动态，还可能通过改变土壤环境，间接影响植物的生长状况。这一发现进一步凸显了微塑料对生态系统多方面的潜在影响。尽管如此，研究团队认为，微塑料对土壤碳动态的影响主要通过 GRSP 实现，而不是通过 MNC。这一结论是基于随机森林模型的分析结果，该模型显示微塑料对 SOC 的影响主要依赖于 GRSP 的变化，而不是 MNC 的变化。因此，GRSP 在土壤碳存储中的作用尤为关键，它不仅能够提高 SOC 的稳定性，还可能通过调节微生物群落的结构和功能，影响土壤碳的动态变化。

本研究的意义在于，它首次系统分析了不同类型的微塑料对土壤碳动态的影响机制，揭示了微塑料在促进 SOC 存储方面的差异化作用。研究结果表明，可降解性微塑料在促进 SOC 存储方面具有更强的能力，这可能与其更容易被微生物降解，从而释放更多的有机物质有关。此外，研究还发现，微塑料对微生物群落的影响不仅限于数量层面，还涉及功能层面，可能通过改变微生物群落的组成和相互作用，影响土壤碳的动态变化。这一发现为理解微塑料对土壤生态系统的影响提供了新的视角，也为评估土壤微塑料污染的生态风险提供了理论依据。

在实验设计方面，研究团队从永兴岛（位于中国三亚市）采集了森林土壤作为实验样本。永兴岛作为珊瑚岛之一，近年来经历了严重的微塑料污染，这使得其成为研究微塑料对土壤碳动态影响的理想地点。实验过程中，土壤样本经过筛分和清洗处理，以确保实验的准确性。研究团队选择了 PVC 和 PLA 作为代表性的非降解性和可降解性微塑料，分别进行实验。通过对比不同浓度的微塑料处理对土壤碳指标的影响，研究团队进一步揭示了微塑料对土壤碳动态的复杂作用机制。

研究团队的实验结果显示，微塑料的浓度和类型对 SOC 的影响存在显著差异。在较低浓度下，可降解性微塑料对 SOC 的促进作用更为明显，而在较高浓度下，非降解性微塑料的促进作用虽然仍然存在，但效果相对较小。这一发现表明，微塑料对土壤碳动态的影响并非线性关系，而是与微塑料的类型、浓度以及土壤环境因素密切相关。此外，研究还发现，微塑料对土壤微生物群落的影响主要体现在其结构变化和功能变化上，这些变化可能通过影响微生物的代谢活动和相互作用，进而影响土壤碳的动态变化。

本研究的结果不仅为理解微塑料对土壤碳动态的影响提供了新的视角，也为评估土壤微塑料污染的生态风险提供了理论依据。研究团队认为，GRSP 在土壤碳存储中的作用尤为关键，它不仅能够提高 SOC 的稳定性，还可能通过调节微生物群落的结构和功能，影响土壤碳的动态变化。此外，研究还发现，微塑料对土壤微生物群落的影响主要体现在其结构变化和功能变化上，这些变化可能通过影响微生物的代谢活动和相互作用，进而影响土壤碳的动态变化。

研究团队还指出，微塑料对土壤碳动态的影响可能具有长期性。由于微塑料在土壤中的持久性，它们可能通过长期的积累和相互作用，对土壤碳的动态变化产生深远影响。此外，微塑料的类型和浓度对土壤碳动态的影响也存在显著差异，这表明在制定土壤微塑料污染的治理策略时，需要综合考虑微塑料的类型和浓度，以及其对土壤环境和微生物群落的影响。研究团队认为，这一发现对于未来土壤微塑料污染的生态风险评估和治理策略制定具有重要意义。

综上所述，本研究揭示了微塑料对土壤碳动态的影响机制，特别是在促进 SOC 和 GRSP 的积累方面，可降解性微塑料表现出更强的能力。研究还发现，微塑料对微生物群落的影响主要体现在其结构变化和功能变化上，这些变化可能通过影响微生物的代谢活动和相互作用，进而影响土壤碳的动态变化。此外，GRSP 在土壤碳存储中的作用尤为关键，它不仅能够提高 SOC 的稳定性，还可能通过调节微生物群落的结构和功能，影响土壤碳的动态变化。这些发现为理解微塑料对土壤生态系统的影响提供了新的视角，也为评估土壤微塑料污染的生态风险提供了理论依据。