微塑料引起的土壤性质和微生物群落变化促进土壤团聚体中镉和铅的释放

《Applied Soil Ecology》：Microplastic-induced changes in soil properties and microbial communities promote Cd and Pb release from soil aggregates

　　

摘要
土壤中微塑料（MP）与重金属的复合污染已成为日益严峻的全球性环境问题，因其对土壤质量、生态系统功能和污染物循环的潜在影响而备受关注。然而，微塑料如何通过微生物机制调节不同粒径土聚体中重金属的活化行为仍不清楚。本研究探讨了微塑料类型、粒径和浓度对不同土聚体级别中土壤理化性质、酶活性、微生物群落以及镉（Cd）和铅（Pb）生物有效性的影响。微塑料的添加显著降低了土壤pH值并增加了Cd和Pb的生物有效性，与对照组相比分别增加了0.6–17.0%和0.8–14.0%，其中小于0.25 mm的微团聚体表现出最强烈的响应，尽管在聚丙烯（PP）处理下，0.25 mm级聚体中Cd含量有所降低。微塑料还增加了测得的土壤有机质（SOM）库，显著改变了参与碳、氮和磷循环的酶活性，并大幅重塑了细菌和真菌群落结构，表明土壤生化过程发生了显著变化。在优势微生物类群中，细菌中的放线菌门和变形菌门，以及真菌中的子囊菌门，与Cd和Pb的活化密切相关，并表现出显著的粒径依赖性特征。偏最小二乘法路径模型进一步显示，微塑料主要通过改变土壤养分状况、微生物生物量及微生物群落组成来间接调节Cd和Pb的生物有效性。总体而言，这些发现表明，微塑料引发的理化性质和微生物群落变化可以促进Cd和Pb从土聚体中释放，特别是从微团聚体中释放，为理解土壤微塑料-重金属复合污染的潜在生态风险的土聚体尺度机制提供了新的见解。

引言
地膜的大规模使用和农业系统中塑料残留物的积累导致塑料碎片持续进入土壤环境（Wu等，2024）。通过风化、破碎和老化过程，较大的塑料材料逐渐降解为微塑料（MP），通常定义为小于5 mm的塑料颗粒（Frias和Nash，2019）。由于其持久性、移动性和高环境反应性，微塑料已成为陆地生态系统中日益令人关注的污染物。在环境老化过程中，微塑料的表面形态、官能团、疏水性和电荷性质会发生显著变化，并可能释放有毒添加剂和降解副产物（Lei等，2023；Xu等，2024）。这些过程不仅改变了微塑料的环境行为，还影响了土壤理化性质、微生物活性和生态系统功能（Wang等，2022；Liu等，2023a, Liu等，2023b, Liu等，2023c）。

越来越多的证据表明，微塑料在土壤中并非仅仅是惰性的物理颗粒。微塑料进入土壤基质后可以改变土壤结构、孔隙率、容重、保水能力、pH值、阳离子交换容量和养分有效性（Meng等，2023；Rodríguez del Río等，2025）。这些理化变化可能进一步调节土壤酶活性和微生物群落组装，从而影响生物地球化学循环和污染物转化（Li等，2024a, Li等，2024b）。这些效应在农业土壤中尤为重要，因为来自地膜、灌溉系统、肥料和有机改良剂的微塑料经常与其他污染物共存。其中，重金属（HM）是来源于采矿、冶炼、污水灌溉、肥料施用和大气沉降的主要持久性土壤污染物类群（Zhou等，2020）。镉（Cd）和铅（Pb）因其高毒性、持久性和在土壤-植物系统中积累的可能性而特别值得关注（Feng等，2022；Deng等，2025）。农业管理措施，包括污水灌溉和肥料施用，可能会导致农业土壤中重金属积累，同时改变土壤养分动态和理化条件（Saleh等，2025）。一旦进入土壤，Cd和Pb会损害土壤质量、抑制酶活性、扰乱微生物群落，并对生态系统和人类健康构成长期风险（Liu等，2026）。

微塑料与重金属的共存可能进一步复杂化土壤污染物的环境行为和风险。由于具有不同的表面化学性质、颗粒形态和老化衍生的官能团，微塑料可以通过吸附、络合、静电吸引和表面沉淀与重金属相互作用（Hodson等，2017；An等，2023）。因此，微塑料可能充当载体，改变土壤中有重金属的保留、迁移、解吸和生物有效性。然而，微塑料对重金属活化的影响方向和程度仍存在不一致性。一些研究报告称微塑料会增加重金属的生物有效组分并增强其生态风险，而另一些研究则表明微塑料可以促使其向更稳定形态转化，从而降低其迁移性（Liao等，2023）。

土壤微生物是有机质分解、养分循环、土聚体形成和污染物转化的关键驱动因子（Zhao等，2022）。它们也是土壤环境变化的敏感指标，在污染土壤的生物修复中发挥重要作用（Yang等，2022）。在微塑料-重金属复合污染系统中，微塑料可能通过改变孔隙结构、水分可用性、养分分布和污染物暴露来直接影响微生物栖息地。它们也可能通过改变土壤微环境中重金属的移动性和毒性来间接调节微生物群落（de Souza Machado等，2019）。反过来，微生物代谢可以通过改变微塑料表面性质对微塑料产生反馈作用。某些细菌和真菌可以分泌胞外酶、有机酸和氧化还原活性代谢物，从而改变微塑料表面官能团或促进聚乙烯和聚丙烯等聚合物的缓慢降解（Faszczewska等，2026）。这些微生物过程可能进一步影响微塑料吸附或释放重金属的能力。因此，微塑料-微生物-重金属相互作用是一个动态耦合过程，但微塑料诱导重金属活化的微生物机制仍缺乏充分理解。

土聚体提供了空间异质性的微栖息地，调节着养分、有机质、微生物和污染物的分布（Boots等，2019）。以往的研究越来越多地表明微塑料可以改变土聚体中重金属的行为和微生物过程，但这些效应通常从不同角度进行研究。作为土壤的基本结构单元，不同粒径的土聚体在孔隙结构、有机质保护、氧气扩散、微生物定殖和污染物保留能力方面存在显著差异。近年来的研究表明微塑料可以影响土壤团聚和聚体稳定性，但其效应取决于微塑料特性和土壤环境条件（Qiu等，2025）。此外，土聚体中的土壤有机质和微生物群落可以通过调节pH值、溶解性有机碳、酶促反应和金属结合过程强烈影响重金属形态（Li等，2025a, Li等，2025b）。一些研究表明微塑料的输入可以增加不同粒径聚体级中重金属的生物有效组分，从而增强生态风险（Guo等，2023）。然而，其他研究报告称微塑料可能通过有机质络合或向低活性形态转化来促进重金属的稳定化（Yu等，2020；An等，2023）。总体而言，这些研究表明微塑料对重金属、微生物群落、酶活性和聚体相关生物地球化学过程的影响是相互关联的。然而，这些组分在很大程度上是分开研究的，或在相对有限的实验条件下进行考察。

特别是，针对聚合物类型、粒径和微塑料浓度进行系统比较，以及它们对不同重金属和细菌与真菌群落在不同粒径聚体级中效应的研究仍然有限。目前尚不清楚不同微塑料聚合物是否通过相似或不同的微生物和理化途径在土聚体尺度上调节Cd和Pb的生物有效性。因此，关键的知识空白不在于微塑料是否能够改变重金属行为或微生物群落，而在于不同的微塑料特性如何共同重塑特定的土聚体微栖息地和微生物过程，进而调节Cd和Pb的生物有效性。

为填补这一空白，本研究选择低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP），因为它们在农业地膜和其他农产品中广泛使用，并经常在农田土壤中被检测到。因此，本研究探讨了不同粒径和浓度的LDPE和PP对土聚体中Cd和Pb生物有效性的影响。具体目标为：(1) 确定微塑料对不同粒径聚体级中土壤理化性质、酶活性以及Cd和Pb生物有效性的影响；(2) 阐明土聚体尺度上细菌和真菌群落对微塑料暴露的响应；(3) 识别调节微塑料诱导Cd和Pb活化的理化与微生物途径。本研究为土聚体尺度上的微塑料、微生物和重金属相互作用提供了新的见解，并加深了对土壤微塑料和重金属复合污染相关生态风险的理解。

章节片段
土壤采集与预处理
从广西柳州寺顶铅锌矿区下游区域（109°52′54″E, 25°06′34″N）采集表层土壤样品（0–20 cm），该区域由于长期采矿活动导致重金属浓度较高。采用五点混合采样法（Webster, 2008）获取代表性土壤样品。使用不锈钢土壤取土器在采样区内五个代表性点位采集土壤样品。从各点取等量土

微塑料对不同土壤聚体理化性质的影响
为评估微塑料对土壤微环境的大小依赖性效应，比较了四种粒径级聚体在不同微塑料类型和剂量下的理化性质和养分含量（图1）。微塑料添加后土壤pH值普遍下降，在LDPE-S100A1.0、PP-S10A0.5和PP-S10A1.0处理下下降幅度最大，尤其是小于0.25 mm的聚体中分别下降了3.9%和4.2–4.4%（图1a）。Cd和Pb的生物有效性

讨论
土聚体不仅是物理结构单元，也是微塑料可以干扰土壤生化过程的功能性微栖息地（Liu等，2024）。微塑料进入土壤基质后可能扰乱原有的非生物平衡，且这种效应强烈依赖于聚合物类型和聚体粒径（Xiang等，2025a, Xiang等，2025b）。在本研究中，微塑料的添加显著改变了土壤的理化性质、养分状况和重金属

结论
微塑料的输入显著改变了土聚体的理化性质、养分循环过程、酶活性、微生物群落结构和重金属生物有效性，且表现出明显的聚合物类型依赖性和聚体粒径依赖性效应。LDPE和PP均降低了土壤pH值并增强了Cd和Pb的生物有效性，与微塑料相关的最显著变化一般出现在0.25 mm粒径级聚体中。微塑料暴露改变了养分有效性、酶活性

CRediT作者贡献声明
李毅：撰写—审阅与编辑、可视化、监督、方法论、概念化。江宇伟：撰写—原始草稿、可视化、验证、调查、数据整理。陈寿鳌：调查、数据整理。谭海娇：调查。李月涵：调查、数据整理。徐映美：调查。甘健宁：调查。吴日峰：撰写—审阅与编辑。张春来：撰写—审阅与编辑、资金获取。梁剑：资金获取。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本文受国家自然科学基金（42367001, 42367006）、广西科学技术计划（重点研发计划）（桂科FN2600640550）和广西壮族自治区地质矿产勘查开发局前期地质研究项目（GXDK202642）资助。

李毅|江宇伟|陈寿鳌|谭海娇|李月涵|徐映美|甘健宁|吴日峰|张春来|梁剑|朱同斌|于方明