《Environmental Pollution》：Biodegradable and conventional microplastics differentially affected greenhouse gas emissions from a flooded paddy soil: Insight into metagenomic analysis
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摘要水稻田土壤是温室气体的重要来源，而微塑料在稻田中的分布也越来越广泛。不过，可生物降解微塑料与传统微塑料对甲烷、二氧化碳和一氧化二氮排放的影响因类型而异，目前尚不清楚。本研究通过培养实验，评估了聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯和聚乳酸对温室气体排放的影响，并阐明了
摘要
水稻田土壤是温室气体的重要来源，而微塑料在稻田中的分布也越来越广泛。不过，可生物降解微塑料与传统微塑料对甲烷、二氧化碳和一氧化二氮排放的影响因类型而异，目前尚不清楚。本研究通过培养实验，评估了聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯和聚乳酸对温室气体排放的影响，并阐明了相关机制。聚乳酸显著提升了甲烷和二氧化碳的累计排放量，分别增加了264%和27.3%，而聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯则抑制了这两种气体的排放。相反，聚乙烯显著增加了了一氧化二氮的排放量，增幅达93.1%，而聚乳酸则没有明显影响。从机制上看，聚乳酸提高了土壤中的溶解有机碳、pH值、HCl可提取的铁离子以及可溶性/交换性锰含量，同时降低了土壤氧化还原电位和硫酸盐含量，为微生物的厌氧代谢创造了有利条件。聚乳酸还增加了产甲烷菌类及其相关基因的相对丰度，同时降低了与厌氧甲烷氧化相关的基因丰度，表明其具有更强的甲烷生成潜力。此外，聚乳酸还提高了与发酵、硫酸盐还原和铁还原相关的基因丰度，说明其具有更强的厌氧碳转化潜力。聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯则增加了反硝化菌及其相关基因的丰度，表明其具有更高的氧化亚氮生成潜力，而在聚乳酸处理下，与氧化亚氮还原相关的基因丰度上升，则表明其具有更高的氧化亚氮还原潜力。总体而言，不同类型的微塑料对水稻田温室气体排放的影响存在差异，可生物降解的聚乳酸会加剧水稻田土壤的短期温室气体排放风险。
引言
微塑料是指由物理化学和生物作用风化产生的、尺寸小于5毫米的塑料颗粒，现已成为全球范围内普遍存在的新兴污染物。在农业领域，塑料地膜、包膜肥料、灌溉水以及污泥施用都是微塑料的主要来源（hoang等人，2024；khalid，2023）。微塑料的浓度、形态和成分会受到土地利用方式的影响（wu，2024）。近期调查显示，在中国南方和北方的设施农业土壤中，聚乙烯和聚丙烯最为常见，且随着地膜覆盖时间的延长，10–100微米大小的微塑料逐渐增多（guo，2023；miao等）。微塑料会改变土壤团聚体结构，干扰酶的活性，还能作为污染物载体在土壤中传播，从而威胁生态系统的食物链安全（cai、cusworth、jin，2022；sajjad，2022）。此外，有研究指出，聚乙烯会影响土壤中的功能基因，如mcrA、pmoA和nirS，进而增加水稻田土壤的一氧化二氮排放量，同时降低甲烷排放量（Yu等人，2022；Zhang等人，2023）。预计到2029年，可生物降解塑料的产量和农业应用量将达到573万吨（Zhao等人，2025），因此，明确可生物降解微塑料与传统微塑料对水稻田温室气体排放的不同影响，对于评估它们的环境风险至关重要。
近期研究显示，微塑料可以通过改变土壤的物理性质，如容重、持水能力和水稳性团聚体，以及化学界面过程，如溶解有机碳的供应和电子受体的竞争，还有与甲烷生成和反硝化相关的微生物活动，来调节温室气体排放（de Souza Machado等人，2018；Han等人，2022b；Ji等人，2023）。在厌氧水稻田土壤中，微塑料的类型和浓度会显著影响甲烷的动态变化（Ji等人，2023），而添加聚乙烯则会被认为会促进二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的排放（Chen等人，2023）。可生物降解微塑料还会通过增加溶解有机碳的可用性并刺激产甲烷微生物，从而增加城市湖泊沉积物中的甲烷排放量（He等人，2024）。不过，也有研究观察到，在某些类型的微塑料或特定剂量下，二氧化碳和一氧化二氮的排放量反而会下降，这主要是由于土壤中溶解有机碳的化学多样性以及微生物群落组成发生了变化（Zhang等人，2024b）。同样，也有研究指出，可生物降解微塑料会通过改变土壤的物理化学性质、酶的活性以及微生物活动，增加二氧化碳排放量，同时降低一氧化二氮的排放量（Yan等人，2024）。这些相互矛盾的研究结果表明，水稻田温室气体排放对微塑料输入的反应仍存在争议。此外，许多先前的研究使用的微塑料剂量相对较高，比如2%、7%和10%（质量比）（Yu等人，2021；Zhang等人，2024a；Yan等人，2024）。目前，较低剂量微塑料输入所带来的温室气体排放效应尚未被揭示。
先前的研究表明，微塑料污染后的温室气体排放量取决于微塑料的类型、浓度、老化程度以及土壤类型（Lin等人，2024；Shi等人，2023；Xiang等人，2024）。像聚丁二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯这样的可生物降解微塑料，通常更容易被微生物利用，因此在短期内会比传统微塑料引发更强的二氧化碳排放（Rauscher等人，2023）。不过，也有研究指出，可生物降解塑料对水稻田土壤的甲烷排放没有明显影响（Inubushi等人，2024）。最近的综述认为，传统微塑料更易导致一氧化二氮排放，而可生物降解微塑料则更易导致二氧化碳排放，这意味着它们会对全球变暖潜能值产生不利影响（Zhang等人，2025a）。相反，有研究发现，聚丁二酸丁二醇酯微塑料比传统聚乙烯更能促进一氧化二氮的生成（Wang等人，2025）。此外，老化的聚乙烯和聚乳酸还会通过改变溶解有机碳的浓度和分子组成，促进好氧土壤中的温室气体排放（Zhang等人，2025b）。这些相互矛盾的结果表明，微塑料对土壤温室气体排放的影响仍取决于类型和具体环境条件。中国西南部的贵州省，由于其母岩风化作用，天然含有较高浓度的多种类金属元素（Kong等人，2018）。在淹水条件下，具有氧化还原活性的土壤成分以及铁离子、硝酸盐和硫酸盐等替代电子受体，可以调控土壤中的厌氧碳转化、甲烷生成和厌氧甲烷氧化过程（Fan等人，2020；Luo等人，2021）。因此，微塑料导致的溶解有机碳可用性、pH值和氧化还原条件的变化，可能会与这类土壤独特的地球化学特性相互作用，从而产生不同的温室气体响应。此外，这类地球化学特征明显的水稻田土壤中，介导微塑料诱导温室气体排放的微生物群落和功能基因也尚未得到充分研究。所以，对于地球化学背景复杂的地区，可生物降解微塑料与传统微塑料对水稻田温室气体排放的类型依赖性影响，目前仍缺乏足够了解。
基于以上原因，我们提出假设：可生物降解微塑料与传统微塑料会通过不同方式改变碳的可用性、土壤氧化还原条件、微生物群落以及相关的功能基因，从而对温室气体排放和全球变暖潜能值产生不同的影响。为了验证这一假设，我们使用从中国西南部贵州省黑页岩地区采集的水稻田土壤，开展了淹水培养实验。本研究旨在：1）探究可生物降解微塑料与传统微塑料对甲烷、二氧化碳和一氧化二氮排放的影响；2）分析它们对土壤物理化学性质、微生物群落结构以及关键功能基因的影响；3）阐明不同微塑料导致温室气体排放差异的机制。这项研究可为减少和控制农业土壤中微塑料引发的温室气体排放提供理论依据。
章节节选
土壤采样与微塑料制备
土壤样本取自中国西南部贵州省三穗县的水稻田，该地区的土壤源自寒武纪黑页岩的风化作用（经度108°38′43″，纬度26°58′50.8″）。在去除土壤中的根系、叶片、石块及其他杂质后，将土壤充分混合，晾干，过60目筛（0.25毫米），之后储存以用于后续实验。土壤的基本物理化学性质见表S1。先前的研究已经表明
温室气体排放
不同类型的微塑料对水稻田土壤的甲烷、二氧化碳和一氧化二氮排放产生了差异性影响（见图1）。在最初的10天内，甲烷通量保持较低水平，但在添加聚乳酸的处理组中，从第12天开始甲烷通量急剧上升，到第25天时达到峰值，为0.84 ± 0.05微克/千克·小时，而添加聚乙烯和对照组的甲烷通量则相对较低（见图1A）。60天内的甲烷累计排放量排序为：聚乳酸组（258.80 ± 28.71微克/千克）> 聚丁二酸丁二醇酯组（119.28 ± 14.17微克/千克）> 对照组（71.10 ± 17.08微克/千克）> 聚对苯二甲酸乙二醇酯组（56.76 ± 5.32微克/千克）> 聚乙烯组（28.88 ± 3.07微克/千克）（
讨论
微塑料可能通过两种并非互斥的途径影响土壤的温室气体排放。潜在的直接物理化学效应包括聚合物老化、降解过程中释放的碳以及微塑料与土壤界面之间的相互作用。间接效应则可能源于微塑料改变了溶解有机碳的可用性、pH值、氧化还原电位以及电子受体，进而影响了微生物群落及其功能潜力，最终影响温室气体的产生和消耗。不过，由于未能追踪微塑料来源的碳元素，也无法完全确定微生物的活动情况
结论
本研究结果表明，不同类型的微塑料会对水稻田土壤的温室气体排放产生具有特定于聚合物类型的双向调节作用。在淹水条件下，可生物降解的聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯通常会增强甲烷和二氧化碳的排放量，其中聚乳酸的促进作用最为显著，它通过调控甲烷生成、厌氧甲烷氧化、发酵以及厌氧呼吸等过程发挥了这一作用。相反，传统的聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯则会通过相反的作用机制，抑制或减弱甲烷和二氧化碳的排放
CRediT作者贡献说明
Zhi Yu：软件应用、方法设计。Wentao Yang：数据可视化、资源获取。Jian Zhang：论文撰写——审阅与编辑。Pan Wu：论文撰写——审阅与编辑。Shengsen Wang：论文撰写——审阅与编辑。Xuexian Li：论文撰写——审阅与编辑。Ruidong Yang：论文撰写——审阅与编辑。Wenfang Li：论文初稿撰写
未引用参考文献
Li等人，2022；Lin等人，2025；Matschiavelli等人，2012；Su等人，2024；Sun等人，2023；Zhao等人，2024；Su等人，2023；Luo等人，2021。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的支持：贵州省科学技术厅重大专项（黔科合重大[2025]041），国家自然科学基金（编号42507062），贵州省科学技术厅科学家工作站项目（黔科合平台KXJZ[2024]025），贵州省高层次人才培训计划（GCC[2023]045），贵州省科学技术厅基础研究一般项目（ZK[2024]014），以及
Wenfang Li|Zhi Yu|Jian Zhang|Wentao Yang|Ruidong Yang|Xuexian Li|Shengsen Wang|Pan Wu
中国贵州省贵阳市贵州大学喀斯特地理资源与环境重点实验室，邮编550025
