《Applied Soil Ecology》：Soil bacterial community and vanadium fate shaped by co-exposure to polyethylene microplastics and native vanadium pollution
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微塑料与钒的复合污染下土壤本底特征对生态效应的调控机制研究，通过添加不同浓度和粒径的聚乙烯微塑料于低钒（LV1）和高钒（MV2）背景土壤，发现土壤pH、有机质及CEC等本底特性显著影响微塑料与钒的交互作用，导致微生物多样性、酶活性及钒形态转化差异，最终影响玉米对钒的吸收效率。
赵珊珊|李岚|孙建英|胡静宇|刘武|程欣|周丹|程波
成都理工大学生态与环境学院，中国成都，610059
摘要
农业土壤中微塑料（MPs）和重金属的共存带来了复杂的生态风险，然而在不同污染背景下聚乙烯微塑料（PE-MPs）和钒（V）的联合效应仍知之甚少。本研究探讨了两种浓度（0.1%和1%（w/w）和两种粒径（100目和1000目）的PE-MPs以及V对两种具有不同天然污染背景的土壤性质、微生物群落结构、酶活性、V组分和植物吸收的影响。结果表明，PE-MPs以强烈依赖于背景的方式改变了土壤性质和V的命运。尽管在LV1处理中土壤pH值增加了0.45个单位，但PE-MPs抑制了微生物多样性（例如，Shannon指数下降了8.9%）和土壤蔗糖酶活性。相反，在MV2中，PE-MPs降低了pH值并增强了酶活性（例如，脲酶增加了1.7倍）。PE-MPs对V的生物可利用性产生了差异性影响：在LV1中酸溶性组分减少，而在MV2中增加。因此，玉米器官中的V积累也有所不同：在MV2中，1%的PE-MPs使叶片中的V增加了80%以上，而在LV1中，这种促进作用很小甚至具有抑制作用。这些发现强调，在共污染系统中，MPs的生态影响并非固有的，而是由土壤的污染历史决定的。这突显了在复杂污染情景下将天然污染水平纳入生态风险评估的必要性，以制定有针对性和有效的农业土壤管理策略。
引言
钒（V）是一种普遍存在的微量元素，主要通过采矿和冶炼等工业活动释放到农业土壤中（Xiao等人，2017b；Li等人，2020；Chen等人，2017），导致其浓度显著高于背景水平（Xiao等人，2017a）。例如，中国冶炼厂附近的土壤中V浓度明显升高，平均为115.5 mg kg^-1，在西南地区甚至达到198.0 mg kg^-1（Li等人，2020）。这种污染带来了生态风险，因为V可以改变土壤微生物群落结构（Fei等人，2022；Peng等人，2023；Wang等人，2020b；Li等人，2020）；相反，其迁移性受微生物活动的影响（Tang等人，2022；Li等人，2022；Fei等人，2022）。此外，V在作物中的积累引发了食品安全和人类健康的担忧（Chen等人，2021；Qian等人，2014）。然而，土壤污染通常不仅仅是由单一污染物引起的（Sahdev等人，2024；Tang等人，2024；Li等人，2024），还受到土壤固有物理化学性质的影响（Liu等人，2017；Chen等人，2023b）。在攀枝花地区进行的研究表明，不同钒污染水平的土壤样本在pH值和有机质含量等背景参数上也存在差异（Cheng等人，2025），这可能进一步影响重金属的迁移性、生物可利用性和生态毒性。
同时，随着人类活动的加剧，微塑料（MPs，直径<5 mm）污染已经出现并广泛分布在各种环境介质中。聚乙烯（PE）在农业薄膜中的广泛应用（Fan等人，2025）使其成为农田土壤中的普遍污染物，通过塑料覆盖和废水灌溉等做法（Lian等人，2020；Zeb等人，2024；Kokalj等人，2024；Tang等人，2023；He等人，2018）。关键的是，MPs在污染土壤时很少单独存在。由于其较大的比表面积、缓慢的生物降解性、高持久性和丰富性，MPs可以作为有机污染物、重金属和其他污染物的载体（Xie等人，2022；Cheng等人，2024a）。在这些污染物中，与重金属的共污染在农业土壤中经常被观察到（Kajal和Thakur，2024；Ahmad等人，2022）。现有研究广泛探讨了MPs与Pb、Zn、Cd、Cu和As等重金属的共污染（Chen等人，2023a；Chen等人，2025b；Yan等人，2020；Zhou等人，2024；Dong等人，2021）。相比之下，尽管V和MPs在环境介质中经常共存（Prunier等人，2019；Yin等人，2022a；Yin等人，2022b；Barletta等人，2019），但它们之间的联合污染却鲜有关注。现有研究主要局限于描述V或MPs的来源和分布（Cheng等人，2025；Cai等人，2023），未能阐明它们的相互作用和联合生态效应，特别是忽略了不同背景污染水平的调节作用。
事实上，由于MPs与天然土壤颗粒的组成和性质不同，它们在进入土壤后不可避免地会破坏原有的微生态系统平衡（Chen等人，2025a；Lima等人，2023；Deng等人，2025）。许多研究表明，MPs可以显著改变土壤的物理化学性质，如pH值、阳离子交换容量（CEC）和有机质（OM）含量（Zhang等人，2024c；Wang等人，2022；Fojt等人，2022；Gong等人，2024；Hanif等人，2024；Liang等人，2024a；Liang等人，2024b）。然而，这些效应的方向和程度高度依赖于MPs的属性，包括类型、浓度和粒径（Hu等人，2021；Qi等人，2024）。例如，在重金属共存的情况下，MPs的粒径甚至可能导致土壤pH值变化的相反趋势（He等人，2022）。在生物层面，这种依赖性变得更加复杂。微塑料和重金属之间的相互作用可能对土壤酶活性产生抑制或刺激作用。例如，Dong等人（2021）发现微塑料和砷的共存显著抑制了多种酶的活性，而Feng等人（2022）报告称可生物降解的PLA-MPs在铅锌污染土壤中增强了酶活性。MPs可以减少植物对重金属的吸收（Yu等人，2021；Wang等人，2025），或者可能增强它们的迁移性和毒性（Wang等人，2021）。因此，联合暴露可能触发植物的多种生理反应，这些反应可能是协同增强的或拮抗抑制的（Kajal和Thakur，2024）。例如，PE-MPs已被证明显著增加了铬和镉等金属的生物可利用性和植物积累（Jin等人，2024；Iqbal等人，2024）。同时，MPs可能引起植物的生理压力，可能损害根系完整性并进一步改变污染物的吸收和转运途径（He等人，2025；Qin等人，2025）。这些相互矛盾的发现揭示了当前对微塑料生态风险理解的一个根本局限：大多数现有研究仅关注特定微塑料性质（如类型、粒径）的直接影响，而忽视了现有土壤污染在这种共污染过程中的关键调节作用。
这一知识空白表明，广泛报道的MPs的矛盾效应实际上可能是由于接收土壤的不同天然条件，特别是它们的背景污染水平所致。因此，现有关于重金属污染土壤中MPs的研究主要集中在Pb、Cd和As等金属上，往往忽略了天然污染背景的关键影响。这种忽视限制了我们对现有土壤条件如何塑造MPs生态效应的理解。为了解决这一空白，我们的研究了不同浓度和粒径的PE-MPs如何影响具有不同天然V污染水平（低LV1和中MV2）的土壤性质、微生物群落、V组分及其在玉米中的吸收。通过阐明这些不同的响应机制，我们旨在阐明“污染背景依赖效应”，为现实世界中异质农田环境中微塑料的生态风险评估提供重要的理论基础。
实验准备
用于盆栽实验的土壤是从攀枝花市巴克湾河渣场不同距离的非农业区域的表层（0-20厘米深度）收集的（图S1）。两个初始土壤样本分别标记为YV1和YV2，它们没有受到MPs的污染，但具有不同的天然污染背景，主要体现在V浓度上。YV2的pH值和CEC高于YV1，而其OM含量较低（图S1）。原始V浓度为
PE-MPs对土壤pH值的影响
土壤pH值对PE-MPs添加的响应在很大程度上取决于天然的V污染背景（图1a）。在LV1土壤中，PE-MPs通常增加了pH值，增加的程度取决于浓度和粒径。最显著的增加发生在1%（w/w）的1000目PE-MPs（1PE1-V1，pH = 6.88），显著高于对照组（V1，pH = 6.43），增加了大约0.45个单位。在相同浓度下，100目
不同的起点：天然污染背景如何影响土壤对PE-MPs的响应
本研究中使用的两种土壤YV1和YV2来自同一地区，但代表了不同的历史V暴露情况。差异不仅包括总V浓度（132.30 mg kg^-1 vs 403.98 mg kg^-1），还包括关键的天然土壤性质。实验前，这两种土壤的基线条件存在显著差异。这些固有的差异建立了根本不同的“生态起点”，决定了它们对新污染的响应路径
结论
本研究系统地阐明了PE-MPs和V对具有不同天然污染背景的土壤性质、微生物群落结构、酶活性、V组分和植物吸收的相互作用效应。结果一致表明，PE-MPs的生态影响并非固有的，而是受到现有土壤污染背景的深刻调节——我们将其称为“污染背景依赖效应”。
在LV1土壤中，PE-MPs主要
作者贡献声明
赵珊珊：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，调查，数据管理。李岚：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，调查。孙建英：可视化，验证，监督，调查。胡静宇：验证，调查，数据管理。刘武：可视化，数据管理。程欣：撰写——审阅与编辑，验证，资源获取，调查，资金筹集，概念化。周丹：
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：周丹报告获得了Everest科学研究计划的财务支持。程欣报告获得了北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室开放基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务
致谢
本研究得到了Everest科学研究计划（80000-2024ZF11421）和北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室开放基金会（SKLNST-2023-1-02, SKLNST-2025-1-02）的支持。
