《Environmental Pollution》：Aging reduces the negative effect of low-density polyethylene microplastics on soil-plant-microbial systems
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微塑料老化通过改变土壤有机质和微生物群落影响植物生长及土壤养分循环，实验表明UV老化后的LDPE微塑料（5μm和500μm）显著降低植物抑制率，促进氮磷吸收，同时提升土壤CEC和SOM，并抑制氧化应激反应。
贾玉飞|徐学辉|王瑞坤|张月新|张瑞青
内蒙古农业大学资源与环境科学学院，内蒙古土壤质量与养分资源重点实验室，呼和浩特 010018，中国
摘要
微塑料（MPs）是陆地生态系统中普遍存在的污染物，在光、热和生物活动的驱动下会不可避免地发生老化。老化会改变微塑料的性质，并可能重塑它们与植物、土壤和微生物群落的相互作用。本研究通过控制盆栽实验，评估了原始状态和经过紫外线老化的低密度聚乙烯微塑料（LDPE-MPs）在不同粒径（5 μm 和 500 μm）和浓度（0.1% 和 1%，w/w）下对小白菜（Brassica rapa subsp. chinensis）生长、土壤性质和微生物群落的影响。添加 1%（w/w）的 500 μm 原始 LDPE-MPs 会显著抑制植物高度、叶绿素含量（SPAD）和生物量，抑制程度高达 75.9%，而老化后的 LDPE-MPs 则几乎没有抑制作用。值得注意的是，老化后的 LDPE-MPs 分别增强了氮和磷的吸收，增幅分别为 82.3% 和 14.2%。两种类型的微塑料都提高了氧化应激指标，包括丙二醛（MDA）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，但降低了超氧化物歧化酶（SOD）的活性。微塑料处理还改善了土壤有机质（SOM）和阳离子交换容量（CEC），其中 0.1%（w/w）的 5 μm LDPE-MPs 处理效果最为显著。较大的微塑料增加了土壤中的硝酸盐氮（NO3--N）含量，而较小的微塑料则增强了有效磷（AP）的含量。微生物分析显示，老化后的 LDPE-MPs 抑制了参与碳矿化和反硝化的细菌群落，但促进了腐生真菌的生长。结构方程模型表明，紫外线老化通过减轻对植物生长和细菌群落的负面影响、增强有益真菌的数量以及稳定土壤碳氮循环，降低了 LDPE-MPs 的毒性。这些发现为了解老化微塑料在农业生态系统中的长期生态风险提供了机制上的见解。
引言
塑料污染在全球环境中普遍存在，包括海洋（Galloway 等，2017 年）、河流（Hurley 等，2018 年）、大气（Brahney 等，2020 年）和土壤（Nizzetto 等，2016 年）。在农业生产中，塑料被广泛用作作物栽培的覆盖膜（Xiong 等，2019 年），并且可以转化为微塑料（MPs），这些微塑料会在土壤环境中长期存在（Qi 等，2020a 年）。受人类影响的陆地环境，尤其是农业土壤，是微塑料的聚集地，比其他类型的环境更容易受到污染。
微塑料污染可能会改变土壤的物理和化学性质，进一步干扰土壤肥力、植物表现以及土壤生物群落和功能（Wang 等，2022a；Wang 等，2022b）。例如，微塑料可以增加土壤的碳汇能力（Liu 等，2024 年）和固氮作用，同时减少土壤中的氮（Shi 等，2022 年）和磷的生物有效性（Zhou 等，2024 年）。研究表明，微塑料可以显著刺激土壤脲酶和磷酸酶的活性，并改变土壤细菌群落的组成（Fei 等，2020 年）。通过改变土壤的物理和化学性质及生物过程，微塑料会影响种子发芽、植物生长和生理状况（Gao 等，2022；Wang 等，2022b）。此外，植物可以吸收微塑料，从而直接影响其生长。例如，聚苯乙烯纳米颗粒（< 200 nm）可以被拟南芥根系吸收，从而增加活性氧的水平并导致生长抑制（Sun 等，2020a）。
环境中残留的微塑料会因光氧化、机械磨损和微生物降解等各种因素而不可避免地发生老化，导致微塑料的环境归趋和性质发生变化（例如形状、表面极性、亲水性和表面电荷等），从而影响其对生物的生态毒性（Jin 等，2022；Rummel 等，2017）。这些微塑料特性的变化会直接影响土壤的物理和化学性质，包括养分有效性、阳离子交换容量和水分保持能力，进而调节它们对植物和土壤生物群落的影响。例如，具有较大比表面积的老化聚乙烯（PE）倾向于在根细胞壁孔隙中积累，从而阻塞水分和养分的吸收途径，最终抑制植物生长（Yang 等，2024）。与原始聚氯乙烯微塑料（PVC-MPs）相比，老化后的微塑料对小麦根系的生态毒性更强，对根系活动（如养分吸收）和抗氧化活性的刺激更为明显（Wang 等，2024）。原始 LDPE-MPs 降低了与有机碳降解相关的土壤微生物功能基因（半纤维素：abfA 和 manB），而老化后的 LDPE-MPs 则降低了半纤维素（abfA、manB 和 xylA）以及淀粉（sga）和纤维素（cex）水解的功能基因，这表明原始微塑料和老化微塑料对土壤碳循环的潜在影响存在显著差异（Zhang 等，2022）。最近，Li 等（2025）研究了微塑料老化前后对土壤-植物系统的影响，并报告称老化增加了微塑料对植物的毒性。然而，大多数现有研究仅关注原始微塑料和老化微塑料对单株植物或土壤的影响，没有考虑完整的土壤-植物系统。此外，关于微塑料老化对植物与土壤微生物相互作用的影响尚不明确，目前尚无共识，关于老化如何改变微塑料在陆地生态系统中的生态毒性也缺乏统一认识。这一知识空白限制了我们准确预测农业生态系统中微塑料污染长期生态风险的能力。因此，迫切需要系统性的研究来评估原始微塑料和老化微塑料在受控土壤-植物环境中对植物生长、土壤物理化学性质和微生物群落的影响，以提供机制上的见解并为可持续管理策略提供依据。
在这项研究中，选择了不同粒径（5 μm 和 500 μm）的低密度聚乙烯微塑料（LDPE-MPs）作为主要研究对象，因为它们在土壤环境中广泛存在（Liu 等，2025a）。选择小白菜（Brassica rapa subsp. chinensis）作为模型植物，是因为它在全球农业中的重要性（Gacek 等，2021）。将 LDPE-MPs 进行 15 天的紫外线（UV）老化处理以获得老化微塑料。通过控制盆栽实验，评估了原始状态和紫外线老化后的 LDPE-MPs 在不同浓度（0.1% 和 1%，w/w）和粒径（5 μm 和 500 μm）下对植物生长、土壤物理化学性质和微生物群落的影响。本研究的目标是：（ⅰ）研究原始微塑料和老化微塑料对植物生长、养分吸收和抗氧化应激反应的影响；（ⅱ）评估它们对土壤物理化学性质和微生物群落的影响；（ⅲ）阐明微塑料老化、植物表现、土壤性质和微生物动态之间的关系。研究结果提供了微塑料老化如何影响土壤-植物-微生物相互作用的机制理解，为评估农业土壤中微塑料的生态风险提供了科学依据。
实验土壤和材料
实验土壤取自内蒙古农业大学的试验田（40°80'64.17"N, 111°71'95.07"E）。该试验田没有使用塑料薄膜的历史，基线微塑料含量很低，仅为 52±9 个/千克。新鲜土壤在去除植物和动物残渣、石块及其他杂物后自然干燥，通过 2 毫米不锈钢筛子筛选，并充分混合。实验土壤的基本物理和化学性质如下：
原始和老化 LDPE-MPs 的表征
为了确定微塑料老化对植物生长、土壤性质和土壤微生物群落的影响，我们首先分析了原始微塑料和老化微塑料的特性。扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、接触角和 Zeta 电位分析显示，紫外线老化后 LDPE-MPs 发生了显著变化。SEM 图像（图 S1 A–D）显示，与原始 LDPE-MPs 不同，老化后的 LDPE-MPs（5 μm 和 500 μm）表面出现了不规则性，包括裂纹、缝隙和凹陷。傅里叶变换红外光谱（图 S2 A–B）显示
结论
本研究表明，原始微塑料和紫外线老化后的 LDPE-MPs 对小白菜生长、土壤性质和微生物群落产生了不同的影响。老化增强了 LDPE-MPs 的表面反应性，这与土壤有机质（SOM）和阳离子交换容量（CEC）的增加相关，并进一步促进了植物的氮吸收和抗氧化酶活性。虽然原始 LDPE-MPs 抑制了生物量和细菌多样性，但老化后的 LDPE-MPs 减少了氧化应激并丰富了腐生真菌的数量。
作者贡献声明
张月新：研究调查、数据整理。张瑞青：撰写 – 审稿与编辑。贾玉飞：撰写 – 初稿撰写、验证、软件操作。徐学辉：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、概念构建。王瑞坤：数据可视化、软件应用。
未引用参考文献
Andrady, 2017; Ashraf 和 Rauf, 2001; Tyler, 2004; Zhang 和 Gong, 2012.
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了内蒙古自治区自然科学基金（2022MS03026）和内蒙古农业大学的基本研究运营基金项目（BR22-13-04, BR22-10-20）的支持。
