聚乙烯微塑料与6PPD共污染对黑土的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of polyethylene microplastics and 6PPD co-contamination on black soil

土壤中聚乙烯微塑料（PE-MPs）与抗氧化剂6PPD联合污染对理化性质及微生物群落的影响。结果显示，高浓度复合污染显著增加铵态氮含量26.88%，降低Shannon指数11.38%，并改变微生物网络复杂度。环境因子pH、有效磷、铵态氮和硝态氮是影响微生物群落的关键因素。KEGG分析表明代谢途径占功能注释的70.3%。

　　

牛恒乐|杨洋|白玉峰|余勇

吉林师范大学地理科学与旅游学院，四平136000，中国

摘要

微塑料（MPs）在各种生态系统中的广泛存在已得到广泛报道。6PPD（N-(1,3-二甲基丁基)-N′-苯基-p-苯二胺）是一种合成抗氧化剂，可以被微塑料吸附并导致复合污染物的形成。本研究评估了PE-MPs和6PPD单独及共同污染对土壤的影响，重点关注其物理化学性质和微生物群落。结果表明，在T7组（500 mg/kg PE-MPs + 0.1 mg/kg 6PPD）中，土壤铵氮（NH₄⁺-N）含量比对照组增加了26.88%。土壤微生物群落的结构受到影响，在高浓度复合污染下，Shannon指数显著下降了11.38%。观察到PE-MPs和6PPD对细菌群落连接具有浓度依赖性效应，同时高浓度复合污染还增加了微生物群落网络的复杂性。冗余分析和mantel检验表明，土壤pH值、有效磷（AP）、NH₄⁺-N和硝酸盐氮（NO₃^--N是影响土壤微生物群落的关键环境因素。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析显示，代谢是主要的功能类别，占功能注释的约70.3%。本研究揭示了PE-MPs和6PPD共同污染对环境风险和土壤健康的影响。

引言

由于塑料产品的多功能性、耐用性和成本效益，它们被广泛用于包装、建筑和消费品领域。全球每年塑料产量已超过4.8亿吨[1]。大多数塑料具有很强的抗降解性，这些材料通过机械破碎、光氧化、热老化和生物降解逐渐分解成微小碎片，最终导致微塑料（MPs）污染在全球范围内广泛分布[2]。微塑料是指直径小于5毫米的塑料碎片[3]。微塑料广泛存在于海洋、土壤、大气甚至未受干扰的生态系统（如极地地区）中[4]。陆地环境中的微塑料浓度是海洋环境的4-23倍，这使得土壤成为这些颗粒的重要储存库[5]。包括土壤在内的陆地生态系统比海洋地区更容易受到塑料污染[6]。在各种农业实践中，塑料地膜、再生水的使用以及有机改良剂（包括生物固体和堆肥）被认为是土壤中微塑料的主要来源[7]。目前，聚乙烯（PE）是农业应用中最主要的聚合物薄膜材料[8]。随着需求的持续增长，其使用量正以每年12%的速度迅速增加。预计到2060年，全球PE塑料的产量将达到2.7亿吨[9]。进入土壤后，微塑料能够吸附各种污染物，并改变土壤的物理和化学性质以及土壤生物群落的结构。

随着城市化进程的加快和车辆数量的迅速增加，轮胎磨损成为一个日益严重的问题。轮胎磨损颗粒（TWPs）在车辆运行过程中被释放到周围环境中，这引发了人们对它们环境释放的日益关注[10]。TWPs含有多种有害化学物质，主要包括橡胶、填料、油脂和多种添加剂（如硫化促进剂、延迟剂和抗氧化剂）[11]。其中，N-(1, 3-二甲基丁基)-N′-苯基-p-苯二胺（6PPD）作为一种抗氧化剂和抗臭氧剂，被广泛使用，可以有效延缓轮胎老化并提高耐用性。6PPD通过径流和大气沉降在水、土壤、空气和灰尘中广泛分布，从而对环境造成严重威胁[12]。它在土壤和水体中的长期积累可能对生物多样性构成重大威胁。6PPD在土壤中可以转化为6PPD-醌（6PPD-Q），在厌氧淹没条件下，铁还原过程与6PPD氧化共同促进了6PPD-Q的形成[13]。研究表明，6PPD-Q的存在显著影响了土壤基质和弹尾虫的肠道微生物群落，从而破坏了土壤生态系统中碳（C）和氮（N）的循环，导致其整体功能的显著改变[14]。

由于微塑料体积小、比表面积大且表面疏水，它们具有很强的吸附环境污染物的能力，从而形成复合污染物[15]。污染物在微塑料上的吸附是一个复杂的环境过程，受范德华力、表面配位作用和静电力的影响[16]，并受到多种因素的影响。塑料在环境中的老化主要是由阳光或紫外线（UV）辐射引起的[17]，这一过程会导致塑料破碎并形成更小的颗粒[18]。老化后的微塑料表面可能会产生微裂纹和孔隙，从而增强其吸附能力。近年来，交通活动的增加表明TWPs是6PPD的主要环境来源，微塑料可能作为载体，促进6PPD在土壤中的迁移和生物积累[20]。

目前，虽然单独污染（无论是微塑料还是6PPD）已经得到了广泛研究，但它们共同污染对土壤系统的协同或拮抗效应仍不甚清楚。本研究的假设是，PE-MPs和6PPD的共同污染比单独污染对土壤健康的损害更为严重。同时，PE-MPs和6PPD可能通过改变土壤的物理化学性质间接调节土壤微生物群落的结构和组成。这些发现将有助于系统地理解PE-MPs和6PPD共同污染对土壤健康的影响。作为农业生产的基础，土壤污染直接影响土壤生物的健康、作物生长和食品安全。因此，研究微塑料和6PPD共同污染的生态毒理学效应对于评估农业环境风险、确保食品安全和促进可持续发展至关重要。

材料

材料

先前的研究表明，在0-3厘米的土壤层中，66.27%的微塑料直径小于500微米，而只有10.98%的微塑料直径超过1毫米[21]。在3-6厘米的土壤层中，直径小于500微米的微塑料也非常丰富，占总微塑料的78.31%[21]。因此，实验选择了直径为500微米的PE-MPs。土壤样本取自中国长春附近的农田（44°0′0″ N, 125°23′43″ E），深度为0-20厘米。空气干燥后的土壤处理包括研磨等步骤

原始PE-MPs和老化PE-MPs的特性

如图S1所示，PE-MPs的FTIR光谱呈现出三个特征吸收峰，分别位于2914、2848和1468厘米^-1，对应于不对称和对称的-CH₂伸缩、弯曲变形和摇摆变形[26]。此外，715厘米^-1的特征吸收峰归属于PE-MPs中的C-C键。观察到的峰位与先前研究中的报告一致[27]。氧化反应

结论

PE-MPs和6PPD的共同污染对土壤的影响比单独暴露更为显著。土壤物理化学性质的显著变化以及在高浓度复合处理下微生物α多样性的急剧下降表明了协同的负面影响。此外，微生物群落结构的改变和网络复杂性的增加表明，土壤微生物通过改变相互作用来应对这种复合压力

CRediT作者贡献声明

余勇：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。白玉峰：撰写 – 审稿与编辑。杨洋：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。牛恒乐：撰写 – 初稿，可视化，调查，数据管理。

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

本研究得到了中国国家自然科学基金（U23A6001, 42377282）、吉林省科技发展计划项目（YDZJ202601ZYTS292）、中国国家重点研发计划（2024YFD1502400, 2023YFA1009001）以及CPSF博士后奖学金计划（GZC20251858）的支持。