聚乙烯微塑料与镉共污染对大豆-土壤系统的影响：综合代谢机制及根际微生物作用机制

《Environmental Pollution》：Effects of Polyethylene Microplastics and Cadmium Co-contamination on the Soybean-Soil System:Integrated Metabolic and rhizosphere Microbial Mechanisms

微塑料与重金属协同效应对大豆-土壤系统的影响研究。通过代谢组学和微生物组分析发现，低浓度PE-MPs（1%-5%）促进20 mg/kg Cd下大豆根系镉累积，激活β-丙氨酸、卟啉等代谢通路稳定地上部生长；高浓度PE-MPs（10%）与Cd协同抑制根际微生物多样性及氮循环功能，代谢网络分析揭示malonyldaidzin可能作为植物代谢与微生物互作的中介分子。该研究揭示了微塑料通过调控重金属生物有效性、改变根际微生物群落及植物代谢通路的协同毒性机制。

　　

王伟军|张凯凡|刘志敏|刘晓璐|王旭

北京科技大学化学与生物工程学院，中国北京市海淀区学园路30号，100083

摘要

农业土壤中微塑料（MPs）和重金属的共存带来了复杂且尚未充分理解的生态风险。虽然之前的研究已经考察了这些污染物的单独影响，但它们对植物-土壤系统综合影响的相互作用机制，尤其是通过整合的代谢和微生物途径，仍然不清楚。本研究调查了聚乙烯微塑料（PE-MPs）和镉（Cd）共同暴露对大豆-土壤系统的影响。在中等Cd暴露水平（20 mg/kg）下，特定浓度的PE-MPs（1%和5%）增加了大豆根部的Cd积累，而在高Cd水平（50 mg/kg）下，这一趋势发生了逆转。共同暴露通过激活应激响应途径（β-丙氨酸、卟啉和泛酸代谢）保持了植株生长的稳定性。根际微生物组分析显示，5%和10%的PE-MPs减少了Cd污染土壤中Sphingomonas和Bradyrhizobium的丰度，并抑制了氮循环功能。整合的代谢物-微生物网络分析确定malonyldaidzin可能是连接大豆叶片代谢与根际细菌相互作用的关键介质，这与根部Cd积累有关。这些发现表明，PE-MPs通过植物-代谢物-微生物的三方相互作用从根本上改变了Cd的行为，从而强调了在农业生态系统中进行重金属污染生态风险评估时需要考虑MPs的影响。

引言

微塑料（MPs）污染已成为一个严重的环境挑战（Seo等人，2025年）。由于塑料薄膜的广泛使用，聚乙烯微塑料（PE-MPs）是农田中最常见的微塑料类型之一（Seo等人，2025年）。它们较大的比表面积使它们能够作为重金属（HM）等污染物的载体，可能改变金属在土壤-植物系统中的分布、生物可利用性和毒性（An等人，2023年）。然而，这些生态效应是正面还是负面影响作物仍不确定（de Souza Machado等人，2019年；Sang等人，2021年）。因此，评估MPs和HM共同污染的环境影响已成为环境科学中的一个紧迫全球性问题。

镉是农田土壤中最有毒和最广泛分布的重金属污染物之一，尤其是在中国，那里大量农业用地超过了国家安全阈值（Anas等人，2025年；Cho & Seo，2005年）。许多研究阐明了镉在植物中的传输途径和毒性效应。然而，镉和PE-MPs在农业土壤中的共存创造了复杂的复合污染情景。尽管已有大量研究调查了这些污染物的单独影响，但关于它们综合影响的研究结果存在矛盾且存在显著局限性。一些报告指出，MPs通过增加作物（如小麦和草莓）中镉的生物可利用性而加剧了镉的毒性（Miao等人，2023年；Pinto-Poblete等人，2022年）。相反，其他研究则显示MPs似乎可以减轻镉的胁迫效应——可能是通过吸附或改变土壤性质——甚至促进种子发芽和生长（Liu等人，2025年；Yu等人，2024年）。这种不一致性突显了对镉-MPs相互作用机制的认知不足，特别是关于MPs类型、浓度和土壤性质如何相互作用影响结果。

至关重要的是，在这一背景下，土壤微生物的作用——作为MPs-HMs和植物之间的关键桥梁——尚未得到充分理解。尽管An等人的元分析表明，MPs和HM的长期共污染会增加作物中HM的生物可利用性，但数据限制阻碍了量化微生物对MPs-HMs相互作用的贡献（An等人，2023年）。虽然研究表明，镉和MPs都会独立地引起土壤微生物多样性和功能的变化——通常会降低多样性并改变群落组成——但确定这些扰动是否会影响植物的代谢过程和功能仍然至关重要（Li等人，2020年；Rehman等人，2025年；Xiang等人，2024年；Yan等人，2024年）。研究表明，根际微生物的变化可以改变植物的氮循环，影响正常的氮吸收（Duan等人，2024年）。此外，大豆根部分泌物也会反过来影响土壤微生物群落，从而调节其结构和功能（Pang等人，2021年）。然而，将土壤微生物群落与植物代谢功能联系起来的分析仍然有限。这一空白阻碍了理解在MPs-Cd复合污染胁迫下根际微生物变化如何影响植物代谢过程。

大豆（Glycine max）作为一种全球重要的豆科植物，由于其对于粮食安全的重要性及其对环境胁迫的敏感性，因此本研究特别相关（Kulkarni等人，2018年；Zhang等人，2021年）。大豆代谢组学是一个活跃的研究领域，单一无机污染物（如聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）或Cd）下的代谢已经被广泛研究。Wang等人证明，PS-MPs会破坏大豆的次级代谢，显著增加黄酮类和异黄酮类物质的生物合成（Wang等人，2025年）。Xu等人发现，钼胁迫不仅显著提高了大豆叶片中的黄酮类物质水平，还促进了脂质生物合成（Xu等人，2018年）。然而，大豆代谢和根际微生物在Cd和PE-MPs共同污染下的响应仍然知之甚少。

因此，我们假设PE-MPs不仅通过直接的物理化学效应改变镉的生物可利用性，还通过破坏根际微生物群落及其与植物代谢的功能相互作用间接影响大豆。为了验证这一点，我们旨在：（1）量化对大豆生长特性和镉积累/转移的影响；（2）描述不同污染条件下根际土壤微生物多样性、群落组成和预测功能途径的变化；（3）识别大豆叶片中潜在的代谢变化；（4）整合微生物组和代谢组数据，以阐明控制大豆对Cd-PE-MPs共同污染响应的潜在微生物-代谢联系。这项研究对于准确评估农业土壤中MPs-HMs共同污染的生态风险以及开发基于微生物调控的污染缓解策略或提高作物抗性至关重要。

实验材料

PE-MPs购自中国江门的 Zhonglian Suli Technology Co., Ltd。颗粒呈球形粉末，直径50 μm，密度为0.96 g/cm³。PE-MPs的尺寸通过扫描电子显微镜（SEM，Hitachi SU801，日本）进行检测。SEM图像（图S1A和1B）显示PE-MPs大致呈球形，表面相对光滑。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR，Nicolet iS50，Thermo Fisher Scientific）进行检测，光谱确认了其特征

大豆组织中的镉含量和运输

观察到镉吸收存在剂量依赖性效应。双向方差分析（ANOVA）显示镉和PE-MPs对根部和叶片镉积累有显著的交互作用（F (9, 16) = 4.428, P=0.0048；F (9, 16) = 8.171, p=0.0002）（表S3）。在单一镉暴露下，随着镉暴露浓度的增加，根部镉积累显著增加（p < 0.05）（图1A）。在高镉浓度组（20和50 mg/kg Cd）中，添加PE-MPs显著降低了镉的吸收

PE-MPs促进大豆根部镉的吸收

本研究观察到大豆中镉吸收存在剂量依赖性效应（图1A），这与之前的研究结果一致（Wang等人，2023b）。此外，在Cd污染的土壤中添加PE-MPs（1%和5%）促进了大豆根部的镉积累，尤其是在20 mg/kg Cd处理组中（图1A）。这与之前的研究结果一致（Wang等人，2021年；Zhao等人，2023年）。Wang等人报告称，PE-MPs显著增强了Lactuca sativa L.中的镉吸收

结论

本研究证实，PE-MPs通过剂量依赖性机制调节大豆-土壤系统中的镉效应。PE-MPs和镉的共同暴露缓解了镉引起的植株生长抑制，这与β-丙氨酸、卟啉和泛酸代谢的激活有关。PE-MPs和镉改变了大豆根际微生物的结构和代谢功能。高浓度MPs-Cd共污染损害了土壤的氮循环功能。此外，代谢物-微生物网络分析揭示

作者贡献声明

刘晓璐：资金获取，数据管理。王旭：项目管理，资金获取，概念构思。张凯凡：数据可视化，数据管理。刘志敏：验证，软件应用。王伟军：撰写——原始草稿，实验研究，数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32471360）和农业农村部农产品安全与质量检测与评价重点实验室开放项目（NK202302）的财政支持。