环境老化微塑料改变潮间带土壤氨氧化中古菌与细菌的作用

《Marine Pollution Bulletin》：Environmentally aged microplastics alter archaeal and bacterial roles in ammonia oxidation of intertidal soils

　　

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  高浓度老化 PP 微塑料抑制土壤氨氧化（PAR）。
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  老化 PP 微塑料增强 PAR_AOA 并抑制 PAR_AOB。
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  老化 PP 微塑料通过改变土壤 TOC、pH 值和硫化物影响 PAR。
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  老化 PP 微塑料可能重塑潮间带湿地的微生物氮动力学。

引言

潮间带湿地作为连接陆地和海洋的生态交错带，在维持生物多样性和净化污染物方面发挥着重要作用（Galloway 等，2008；Chen 等，2022）。然而，工业和农业活动的加剧导致活性氮通过肥料径流、生活污水和工业废水大量输入河流和近岸水域（Ramesh 等，2015；Seeley 等，2020）。这显著增加了氮负荷，引发了一系列生态和环境问题，如富营养化和水体缺氧（Damashek 和 Francis，2018；Li 等，2021）。微生物介导的氮循环是调节氮迁移和转化的关键生物地球化学途径（Galloway 等，2008；Kuypers 等，2018），极大地决定了潮间带生态系统的氮负荷水平。因此，潮间带湿地的氮转化过程及其关键驱动机制引起了广泛关注。

在氮转化过程中，硝化作用作为连接氮矿化与反硝化和厌氧氨氧化的重要环节，间接影响氮平衡和相关环境风险（Kuypers 等，2018；Wang 等，2025a）。作为硝化作用的限速步骤，氨氧化过程主要由氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）介导，它们将 NH₄⁺ 转化为 NO₂^?（Kowalchuk 和 Stephen，2001；Schleper 和 Nicol，2010）。鉴于该过程在很大程度上控制着硝化速率，进而为反硝化提供底物并影响氮去除（Kuypers 等，2018），阐明潮间带湿地的土壤氨氧化过程至关重要。迄今为止，氨氧化过程及其影响机制已被广泛记录。例如，Hou 等（2013）识别出了明显的生态位分化，其中 AOA 倾向于在低 NH₄⁺ 和低 pH 环境中表现出更高的丰度，但 AOB 通常在人为干扰和高氮区域表现出更强的功能影响。除了 NH₄⁺ 的有效性外，盐度也影响 AOA 和 AOB，前者比后者表现出更大的耐受性和适应性（Bernhard 等，2010）。此外，尽管淹水引起的厌氧可以抑制氨氧化过程，但由于其独特的氧气获取策略，AOA 比 AOB 表现出更大的韧性（Kowalchuk 和 Stephen，2001；Tao 等，2021）。一些研究还揭示，盐沼植物根系通过分泌氧气在厌氧土壤中创造微好氧环境，触发根际土壤中的氨氧化过程（Wang 等，2015）。总体而言，潮间带湿地的氨氧化过程受多种因素影响，导致 AOA 和 AOB 微生物具有不同的生态位。

鉴于氨氧化菌对环境变化的敏感性，新兴污染物可能进一步影响氨氧化过程。近年来，微塑料（MPs）由于其广泛存在及其在河口和滨海湿地中的深远影响，已成为全球环境关注焦点（Prosser 等，2020；Chen 等，2022）。许多研究表明，不同类型和尺寸的 MPs 显著调节氮转化过程。Yi 等（2025）比较了传统聚氯乙烯（PVC）和可生物降解聚乳酸（PLA）对土壤微生物群落和温室气体排放的影响，发现 PVC 主要通过富集反硝化细菌和降低 NO₃^? 浓度来改变氮循环，而 PLA 对氮含量的影响较弱。从粒径角度来看，纳米级 MPs（50–100 nm）显著抑制 NH₄⁺ 去除和 NO₃^?/NO₂^? 还原，而宏观塑料（500–1000 μm）可促进 NO₃^?/NO₂^? 去除（Yang 等，2024）。此外，Dan 等（2025）发现，中等尺寸的聚乙烯（PE）MPs 通过增加硝化作用促进植物氮吸收，而小尺寸的 PLA 则产生抑制作用。尽管 MPs 的影响日益被记录，但现有研究主要集中在原生颗粒上，忽视了老化 MPs 在这些生态系统中的复杂作用。事实上，自然环境中的 MPs 是通过微生物降解、水解和光氧化的综合作用而老化的（Andrady，2011；Wang 等，2025a）。环境老化过程改变了 MPs 的特性，增加了比表面积、含氧官能团和吸附位点（Wang 等，2025b；Zhang 等，2026），这可能进一步影响底物含量和潜在氮循环（She 等，2025）。目前，一些研究开始探索环境老化 MPs 的影响，证实这些颗粒会改变反硝化活性和温室气体排放（Li 等，2023；Zhang 等，2026）。尽管如此，环境老化 MPs 对氨氧化的影响仍需关注，特别是鉴于 AOA 和 AOB 占据不同的生态位。它们对老化 MPs 的不同响应可能会改变氨氧化，并可能进一步影响潮间带生态系统的氮动力学。

作为中国东南沿海的主要河流之一，闽江河口由于人为影响表现出中等水平的 MPs 污染，其中聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）被确认为主要成分（Bao 等，2025）。因此，以 PP MPs 为材料进行了微观培养，以探索环境老化对氨氧化过程动力学的影响。本研究的目标是（1）阐明在暴露于不同浓度的原生和老化 MPs 下氨氧化的变化，（2）评估老化 MPs 如何影响与 AOA 和 AOB 相关的氨氧化潜力，以及（3）揭示在老化 MPs 下影响潮间带湿地氨氧化动力学的关键因素和环境意义。

章节摘要

研究区域与实验设计

闽江河口是受人类活动高度影响的河口，流经中国东南沿海的福建省福州市。本研究在闽江河口南岸的沙滩（26°00′36″N – 26°03′42″N, 119°34′12″E – 119°40′40″E）潮间带进行（图 1）。该地区以亚热带季风气候为特征，年平均降水量为 1350 mm，年平均气温为 19.6 °C（Tong 等，2018）。该

土壤理化性质

微塑料老化状态和培养时间对土壤理化性质产生差异化影响，仅对土壤 pH 值、NH₄⁺ 和 NO₂^? 观察到显著的交互效应（图 2 和表 S1）。在第 25 天，各处理组之间的土壤 pH 值无显著差异，但在第 90 天，老化 PP 处理组（APP-1 和 APP-2）观察到明显的下降（图 2）。虽然在第 25 天所有处理组的 TOC 含量相当，但在老化

老化 MPs 对氨氧化过程的影响

目前研究的结果揭示了关于环境老化 PP MPs 影响氨氧化过程的新颖且有趣的细节。进行了一项 90 天的微观模拟实验，以评估老化 PP MPs 对潮间带湿地土壤潜在氨氧化速率的影响，揭示了不同的时间动态和环境老化特异性。在第 25 天，所有 MPs 处理组的土壤 PAR 保持相对稳定，但在到第 90 天，

结论

本研究证明，与原生颗粒相比，环境老化 PP MPs 对铵氧化动力学的影响更大。经过 90 天的培养，土壤潜在 PAR 普遍受到抑制，表现出与 MPs 老化相关的不同时间动态和特异性。值得注意的是，在 PAR_AOA 和 PAR_AOB 之间观察到倒置响应，前者增强，后者抑制。这些模式可能主要由土壤理化变量

CRediT 作者贡献声明

陈瑞源: 写作 – 初稿，软件，调查。阮淑杰: 软件，调查。刘诚: 方法论，形式分析。陈飞扬: 软件，方法论。张一肖: 调查。高德洲: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，方法论，资金获取，构思。杨平: 写作 – 审阅与编辑，构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金（批准号：42206237）和 福建省自然科学基金（批准号：2024 J01463；2024 J01446）的支持。这项工作还得到了 福建省科技部门公益项目（2022R1002007）、广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金项目（编号 2025A1515011056）以及 中国博士后科学基金 博士后 fellowship 项目的资助。

陈瑞源 | 阮淑杰 | 刘诚 | 陈飞扬 | 张一肖 | 高德洲 | 杨平