微塑料通过改变微生物群落结构降低旅游区的土壤多功能性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microplastics reduce soil multifunctionality in tourist areas by altering microbial community structure

　　

摘要

微塑料（MPs）污染对陆地生态系统构成了日益增长的威胁，包括高流量旅游景点的土壤。然而，关于不同类型和浓度的微塑料如何影响土壤生态过程的系统理解仍然有限。本研究探讨了四种类型的微塑料，即聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA），对岳麓山土壤温室气体排放、理化性质、酶活性和微生物群落的影响，使用了三个添加水平（0.5%、1% 和 5%）。结果表明，微塑料显著刺激了累积 CO₂ (59–206%) 和 N₂O (315–1515%) 排放。在处理中，PLA 和 PP 的最低微塑料浓度 (0.5%) 分别对 CO₂ 和 N₂O 排放往往引起最强的刺激作用。土壤 β-1,4-葡糖苷酶 (BG) 活性在微塑料处理下增强了 64–123%，而酸性磷酸酶 (AcP) 活性保持稳定 (p>0.05)。虽然微生物群落多样性未改变，但微塑料重塑了群落组成（例如，随着微塑料浓度升高，子囊菌门丰度增加 3–20%），简化了微生物共现网络，并增强了网络模块性。微塑料使微生物群落组装向更大的随机性转变。微塑料污染降低了土壤生态系统多功能性，在测试条件下，PS 和 PE 表现出最明显的有害影响。本研究表明，微塑料重塑了旅游景点土壤中的微生物群落，简化了共现网络，并降低了土壤多功能性，在测试条件下，PS 和 PE 表现出最强的有害影响。

引言

自 20 世纪初发明以来，塑料已深刻改变了现代工业和日常生活 [1]。塑料最初被生产为天然材料的合成替代品。由于其多功能性、耐用性和低生产成本，它迅速获得了关注。全球塑料生产和消费自 20 世纪中叶以来每年稳定增长约 4% [2]。到 2022 年底，全球塑料制造业达到 4.003 亿吨 [3]。虽然塑料产品被广泛使用，但只有一小部分 (16%) 被重复使用，大多数在使用后被丢弃 [4]。预计全球自然环境中已积累了约 110 亿公吨塑料垃圾 [5]。微塑料（MPs），定义为小于 5 毫米的塑料颗粒，源于较大塑料物品在环境中的分解 [6]。微塑料污染已成为最显著的环境问题之一，并引起了全球关注。近年来，学者们关注了海洋和陆地生态系统中微塑料的生态毒理学问题 [7]。例如，微塑料的类型、大小、形状和化学性质，以及附着在其表面的有机污染物和重金属离子，对不同营养级别的海洋生物具有毒性作用。微塑料通过塑料薄膜、聚合物肥料和污水灌溉进入农田生态系统，从而影响作物初级生产、生物质积累和养分循环 [8]。

每年向陆地环境排放的微塑料可能超过向海洋环境排放的 4 到 23 倍 [9]。先前的研究表明，微塑料影响土壤温室气体排放 [10]、土壤理化性质 [11]、微生物群落 [2] 和酶活性。微塑料限制了有氧土壤条件下的反硝化作用，从而抑制了一氧化二氮 (N₂O) 的释放 [10]。微塑料表面生物膜（塑料圈）的形成是由其高比表面积驱动的，这促进了微生物聚集。由此产生的厌氧条件促进了反硝化菌的增殖并增强了 N₂O 的生成 [12]。在微生物解聚后，微塑料释放低分子量降解产物（例如，低聚物、单体和溶解性有机碳），这些降解产物衍生的碳可以被同化并固定在微生物生物量中 [13]。因此，微塑料可以改变土壤 CO₂ 排放、微生物群落组成和功能，以及微生物的生长和活性 [13]。微塑料通过加速土壤团聚体的替代并促进团聚体内包裹的有机质的释放，影响微生物酶的产生。具体而言，关于土壤养分，微塑料可以增加土壤总碳 (TC)、土壤有机碳 (SOC) 和 NH₄⁺-N 的含量。微塑料暴露降低了土壤微生物 α-多样性，重塑了群落组成，并减弱了 BG (β-葡糖苷酶)、NAG (N-乙酰葡糖苷酶) 和磷酸单酯酶的活性 [14]。然而，由于土壤类型、微塑料类型和浓度的变化，很难评估微塑料对土壤性质、微生物群落和酶活性的影响。

微塑料污染在陆地环境中无处不在，在农田、森林、草原和城市中发现高丰度 [15]。微塑料通过塑料薄膜残留、大气沉降、生活垃圾和轮胎磨损进入这些区域。这些区域已成为微塑料污染研究的焦点。然而，由于大量游客在短时间内进入景点，他们带来了塑料产品，并且在景点建设期间可能使用了一些塑料管道。因此，旅游景点也是关键污染区域 [16]。中国不仅是全球塑料行业的关键参与者，也是世界上游客最多的国家之一 [17]。尽管对陆地生态系统中微塑料污染的认识不断增长，但大多数现有研究集中在农业或城市土壤上，而遭受强烈短期人为压力的旅游景点土壤仍然严重缺乏研究。这些景点地区的生态风险尤其令人担忧，因为土壤功能直接影响景观可持续性和游客体验，然而缺乏在此背景下对微塑料影响的系统评估。为促进旅游地区的可持续发展，我们进行了一项实验，以区分微塑料类型及其浓度对土壤温室气体产生、理化指标、胞外酶反应和微生物群落谱的影响。对研究地点的初步调查显示，岳麓山旅游景点土壤中的主要微塑料类型为 PE (43.5 ± 2.3 Pcs kg^-1)、PP (52.5 ± 8.9 Pcs kg^-1) 和 PS (20.9 ± 0.9 Pcs kg^-1)（测量详情见第 2.3 节）。为了阐明这些微塑料对旅游景点环境的影响，使用 PE、PP、PS 和 PLA 进行了土壤微宇宙实验，以 (1) 探索各种微塑料类型下的温室气体通量；(2) 评估微塑料类型和浓度对土壤理化性质的影响；以及 (3) 揭示不同微塑料类型和浓度下微生物群落的演替动态。我们假设 (1) 随着浓度的增加，微塑料增加温室气体排放，(2) 微塑料污染降低养分有效性，抑制微生物群落丰富度和网络复杂性，并最终破坏土壤的综合生态系统功能。这项工作提供了微塑料如何影响旅游景点生态系统中土壤多功能性的评估，从而为目标污染控制策略提供了科学依据。

章节片段

研究地点与土壤采样

研究在中国湖南省一个受欢迎的旅游目的地岳麓山风景区进行 (28°11′41″N, 112°56′36″E)。岳麓山风景区是一流的 5A 级旅游景区，每年吸引超过 300 万游客。山顶海拔为 300.8 米。气候方面，该地区属于亚热带季风区，年均气温约为 17°C（最高 40.6°C），年总降水量

累积温室气体排放

为了阐明微塑料类型和浓度对土壤碳氮周转的影响，我们测量了 60 天培养期内的累积温室气体排放。温室气体排放受微塑料类型和浓度的显著影响，两个因素之间存在显著的交互作用（图 1）。在对照组中，累积 CO₂、CH₄ 和 N₂O 排放分别为 580 μg g^-1 干土、517 ng g^-1 干土和 17 μg g^-1 干土。所有微塑料类型和浓度

微塑料对温室气体排放的影响

我们的结果表明，微塑料显著刺激土壤 CO₂ 和 N₂O 排放，刺激幅度因微塑料类型和浓度而异。微塑料引起 CO₂ (59–206%) 和 N₂O (315–1515%) 排放的一致增加，这可以从机制上与多种微生物途径联系起来。微塑料可以直接作为碳基质，像 PLA 这样可生物降解的微塑料的水解会释放易被土壤同化的不稳定碳化合物（例如，低聚物和单体）

结论

本研究表明，微塑料以类型和浓度依赖的方式显著改变旅游景点土壤的土壤生态系统功能。首先，微塑料分别刺激 CO₂ 和 N₂O 排放 59–206% 和 315–1515%，最低浓度 (0.5%) 往往引起最大的效应，表明存在非线性响应。其次，虽然 α-多样性保持不变，但微塑料使子囊菌门的相对丰度增加了 3–20%，简化了共现网络，并增强了

CRediT 作者贡献声明

赵金耀：写作 - 审阅与编辑，方法论，概念化。赵晓宁：写作 - 审阅与编辑，方法论，资金获取。黄凡：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，资源，数据整理。李沁金：写作 - 审阅与编辑，验证，调查，资金获取。陈世琪：写作 - 审阅与编辑，形式分析。卢竹：写作 - 审阅与编辑，监督，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能影响本论文报告的工作。

致谢

这项工作获得了中国湖南省自然科学基金（湖南女子学院大学联合基金项目）的资助 [湘西喀斯特世界遗产地“文化 - 旅游 - 碳”系统的耦合机制与生态补偿 补偿模型构建，项目编号 2026JJ90125]；国家自然科学基金（项目编号 U24A201906）。

黄凡 | 李沁金 | 卢竹 | 陈世琪 | 赵晓宁 | 赵金耀

中国湖南省长沙市湖南女子学院旅游与航空管理学院，410004