生物炭缓解微塑料对玉米生理生化特性及叶片代谢的负面效应：多维度机制解析

推荐：针对微塑料(MPs)污染对农业生态的潜在威胁，研究人员通过外源添加和10年覆膜土壤实验，探究了生物炭(BC)对PET/PLA型MPs毒性的缓解机制。结果表明BC通过提升抗氧化酶活性(CAT活性最高增加137.5%)、调控脂质代谢和氨基酸通路、恢复土壤微生物群落多样性(Proteobacteria丰度提升44.1%)等途径，显著改善玉米生长。该研究为MPs污染农田修复提供了理论框架。

　　

塑料污染已成为全球性环境问题，当这些塑料制品在自然环境中分解成直径小于5毫米的微塑料(MPs)后，会通过灌溉、施肥等途径进入农田系统。研究表明，每公斤生物消化污泥中可检出近900个塑料碎片，而污水污泥的MPs浓度高达22.7×10³颗粒/kg。这些微小颗粒不仅改变土壤结构、影响水分循环，还能通过诱导活性氧(ROS)爆发、干扰代谢通路等方式危害作物生长。尤其值得关注的是，近期在人体心脏组织中检测到的MPs有77%是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，这使得PET型MPs的生态风险研究尤为迫切。

中国农业科学院的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表的研究中，创新性地将小麦秸秆生物炭(BC)引入MPs污染治理领域。通过控制温室实验，团队系统评估了PET和聚乳酸(PLA)两种MPs对玉米(Zea mays L)的影响及其BC缓解机制。研究采用多土壤类型对比设计，结合酶活性检测、代谢组学和微生物组分析等技术，首次从土壤-植物-微生物互作角度揭示了BC的多维修复功能。

关键技术包括：采集全国7省份土壤进行对比实验；通过700℃热解制备小麦秸秆BC；测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化指标；利用非靶向代谢组学分析叶片代谢物变化；16S rRNA测序解析土壤菌群结构；建立葡萄糖代谢通路模型。

【抗氧化酶活性】
研究发现PET处理使玉米叶片丙二醛(MDA)含量提升12.9%，表明MPs引发膜脂过氧化。而BC添加使PET+BC组的CAT活性较单MP处理提高137.5%，有效清除过氧化氢。在山东(SD)土壤中，BC使受PLA抑制的SOD活性恢复至对照组的92.3%，证实BC通过增强抗氧化防御系统缓解氧化损伤。

【代谢重编程】
代谢组学显示MPs干扰脂质合成途径，而BC上调18种脂质相关代谢物，包括溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)等膜结构成分。BC还激活缬氨酸、亮氨酸等支链氨基酸代谢，这些代谢物作为渗透调节物质帮助植株抵抗逆境。根际葡萄糖代谢增强表明BC可能通过调节碳分配缓解MPs导致的能量亏缺。

【微生物群落调控】
BC使PET污染土壤的变形菌门(Proteobacteria)相对丰度增加44.1%，该菌门包含多种有机污染物降解菌。共现网络分析显示BC处理组的微生物网络复杂度提高23.6%，增强了体系稳定性。功能预测表明BC促进尿素分解和固氮相关基因表达，改善土壤肥力。

结论部分强调，BC通过"吸附-代谢-微生态"三重机制协同缓解MPs毒性：物理吸附减少MPs生物有效性；激活抗氧化系统和氨基酸代谢增强植物耐受性；重塑微生物群落功能。该研究不仅为MPs污染农田修复提供实践方案，其建立的"土壤-植物-微生物"互作框架对评估新兴污染物生态风险具有方法论意义。值得注意的是，不同土壤类型中BC效果存在差异，如广东(GD)红壤的修复效率较黑龙江(HLJ)黑土低14.8%，提示未来需开发区域适配的BC改性技术。研究团队特别指出，鉴于PET在环境中的持久性和在人体组织中的高检出率，后续应重点研究BC对PET-MPs的长期固定化效果。