综述：以植物为主导的策略，用于减轻农业生态系统中的微塑料污染

《Hygiene and Environmental Health Advances》：Plant-Driven Strategies for Mitigating Microplastic Pollution in Agricultural Ecosystems

微塑料威胁农业生态系统，通过改变土壤物理化学性质及微生物群落，影响植物生长、营养吸收和光合作用，并引发氧化应激。需整合微生物、土壤科学和可持续农业策略进行缓解。

　　在当今社会，随着塑料制品的广泛使用，微塑料（Microplastics, MPs）已成为一种日益严重的环境问题，其影响已从海洋生态系统扩展到陆地，尤其是农业领域。微塑料作为塑料降解产生的微小颗粒，通常指尺寸小于5毫米的塑料碎片，它们不仅改变了土壤的物理和化学特性，还对植物的生理、生化过程以及整个农业生态系统的稳定性造成了深远的影响。这种污染现象的严重性在于其隐蔽性、持久性和对生物体的多方面影响，使得微塑料成为农业可持续发展中亟需解决的挑战之一。

微塑料进入农业土壤的途径多种多样，其中最为常见的包括塑料农膜的使用、生物固体和堆肥的施用、污水灌溉以及大气沉降等。例如，塑料农膜在提高土壤温度、保持水分和抑制杂草生长方面发挥了重要作用，但其长期降解产生的微塑料碎片却对土壤结构和微生物群落造成了破坏。生物固体和堆肥作为有机肥料，虽然能够改善土壤肥力，但其中可能包含大量的微塑料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）等。污水灌溉则将工业和家庭生活中的微塑料带入农田，其中纺织品的微纤维、个人护理产品中的微珠以及较大塑料的碎片成为主要来源。此外，微塑料还可能通过大气沉降进入农业土壤，即使是在远离工业污染源的地区，这种现象也时有发生。因此，微塑料污染已渗透到农业生态系统的各个层面，成为一种不容忽视的环境问题。

微塑料对土壤的物理和化学性质产生了显著影响，这些变化直接影响了土壤的结构、水分保持能力以及营养物质的循环。例如，微塑料会改变土壤的容重、孔隙度和渗透性，从而影响水分和养分的流动，进而影响到植物的生长和发育。此外，微塑料的表面特性使其能够吸附重金属、农药和持久性有机污染物，这些污染物的浓度在微塑料表面往往高于土壤中的其他介质，从而加剧了它们对环境和生物体的危害。土壤中的微生物群落作为生态系统中的关键组成部分，也会受到微塑料的影响。微塑料的存在会干扰微生物的活动，抑制某些关键酶的活性，如磷酸酶、尿素酶和脱氢酶，这些酶在氮循环、磷循环和有机质分解过程中起着重要作用。同时，微塑料还可能改变微生物的组成和多样性，某些微生物可能因微塑料的存在而被抑制，而另一些可能因微塑料提供的新生态位而得以增殖。

在植物根系周围，即所谓的根际（rhizosphere），微塑料的影响尤为显著。根际是植物与土壤微生物之间密切互动的区域，微塑料的积累可能会破坏这一区域的微生物网络，抑制酶活性，并干扰植物与微生物之间的共生关系。例如，微塑料可能干扰根瘤菌与豆科植物之间的共生固氮过程，从而影响植物的氮营养获取。此外，微塑料还可能影响植物的生理和生化过程，如光合作用、氧化应激反应和次生代谢产物的合成。这些影响可能表现为植物的生长受限、叶片颜色变化、叶绿素含量降低以及植物体内抗氧化系统的紊乱。例如，某些研究表明，微塑料暴露会降低植物叶片中的叶绿素含量，从而影响光能的吸收和转化，进而导致光合作用效率下降。同时，微塑料还可能引发植物体内的氧化应激，导致细胞膜损伤、蛋白质变性和DNA断裂等现象，严重时甚至影响植物的繁殖能力和生存率。

微塑料对植物的影响不仅限于生理层面，还可能引发更深层次的基因表达变化。例如，某些微塑料可能会干扰植物体内与抗氧化防御相关的基因表达，导致植物无法有效应对氧化损伤。此外，微塑料还可能通过改变植物根系的代谢途径，影响植物对营养元素的吸收和运输。例如，微塑料可能通过干扰植物根系中的铵转运蛋白基因表达，从而影响氮素的吸收和利用。这种基因层面的干扰可能进一步影响植物的生长表现，如生物量减少、叶片面积缩小以及果实产量下降等。

为了应对微塑料对农业生态系统的影响，科学家们正在探索多种缓解策略。其中，微生物修复技术被认为是一种具有潜力的方法。通过引入能够降解微塑料的微生物群落，如假单胞菌（Pseudomonas）、芽孢杆菌（Bacillus）和根瘤菌（Rhodococcus），可以有效改善土壤中的微塑料污染问题。这些微生物不仅能够分解微塑料，还能促进土壤中的营养循环，恢复土壤的生物活性。此外，生物炭（biochar）作为一种有机土壤改良剂，也被认为是缓解微塑料污染的有效手段。生物炭的高比表面积和丰富的孔隙结构使其能够吸附微塑料和重金属，降低它们的生物可利用性，从而减少对植物和土壤微生物的毒性影响。在一些实验中，生物炭的添加已被证明能够显著改善土壤的理化性质，提高土壤中的酶活性，并促进植物的生长。

除了微生物修复和生物炭的应用，其他有机土壤改良措施也被研究用于缓解微塑料污染。例如，通过添加有机质或改良土壤结构，可以降低微塑料在土壤中的迁移和积累，提高其生物可降解性。此外，通过改变农业实践，如减少塑料农膜的使用、改进污水灌溉技术以及加强土壤监测，也可以在一定程度上减少微塑料的输入和扩散。然而，这些方法在实际应用中仍面临诸多挑战，例如生物炭的长期效果、微生物修复的稳定性以及农业政策的完善等。

未来的研究需要更加深入地探讨微塑料对农业生态系统的影响机制，尤其是在长期暴露和多污染物共存的情况下。通过整合多组学技术，如转录组学、代谢组学和宏基因组学，可以更全面地了解微塑料如何影响植物的代谢过程和微生物群落的组成。同时，还需要开发更加真实的实验模型，以模拟实际农业环境中的微塑料污染情况。此外，跨学科合作也是解决这一问题的关键，土壤微生物学家、植物科学家、生态学家和环境工程师需要共同努力，以制定有效的缓解策略和政策，保护农业生态系统的健康和可持续发展。

总的来说，微塑料污染已经成为农业可持续发展中的一个重大挑战。它不仅影响土壤的物理和化学性质，还通过干扰植物的生理和生化过程，降低了作物的产量和质量。此外，微塑料还可能通过食物链影响人类健康，因此，亟需采取综合措施，包括政策干预、技术创新和科学研究，以减少微塑料的输入和扩散，恢复土壤的生态功能，并确保农业生产的可持续性。未来的研究应更加关注微塑料对农业生态系统的影响机制，推动更加有效的缓解策略，为实现绿色农业和生态安全提供科学依据和技术支持。