可生物降解和传统微塑料对土壤反硝化作用的差异化影响：调控 N?O 排放及产物化学计量的机制

《Journal of Hazardous Materials》：Divergent Effects of Biodegradable and Conventional Microplastics on Denitrification in Soils: Mechanisms Governing N?O Emission and Product Stoichiometry

　　

摘要
微塑料（MPs）在农业生态系统中日益普遍，但其对土壤反硝化速率和氧化亚氮（N2O）排放的影响仍知之甚少，特别是关于微塑料类型如何影响 N2O 与氮气（N2）之间的分配。我们整合了气流 - 土壤柱（GFSC）技术、15N 示踪技术和包含 162 组配对观测数据的全球荟萃分析，以证明可生物降解型和传统型微塑料如何影响土壤反硝化和 N2O 产生。GFSC 分析显示，最高的 N2 排放速率出现在添加可生物降解型微塑料的土壤中（3.9 μg N kg soil?1 h?1）；而传统型微塑料添加土壤中的 N2O 排放速率（0.46 μg N kg soil?1 h?1）高于添加可生物降解型微塑料和无微塑料土壤。传统型微塑料添加土壤中的 N2O/(N2O+N2) 比率远高于其他处理，表明具有高 N2O 排放潜力。荟萃分析显示，微塑料在全球范围内增加了土壤 N?O 排放，可生物降解型和传统型在不同水分制度下表现出截然不同的影响。在机制上，可生物降解型微塑料释放活性碳，刺激微生物活性，增强氮总矿化和硝化作用，并增加供植物和微生物吸收的氮有效性，正如 1?N 示踪所示。它们还上调了关键反硝化基因（nirK, nirS, nosZI 和 nosZII），促进完全反硝化，并在尽管总（N?O+N?）通量增加的情况下降低了 N?O/(N?O+N?) 比率。相比之下，难降解的传统型微塑料未能激活这些途径，导致不完全反硝化和 N?O 排放升高。值得注意的是，在高水分土壤中，添加可生物降解型微塑料后 N2O 排放速率增加，表明在未来降雨加剧的地区存在 N2O 排放的潜在风险。综上所述，我们的综合方法表明，微塑料对温室气体排放的净影响在很大程度上受到其聚合物类型的调节，后者差异性地调节微生物氮循环和反硝化产物的最终分配。我们的发现从氮转化的角度提供了关于微塑料影响微生物介导的 N2O 排放机制的新见解。
引言
氧化亚氮（N?O）是一种强效温室气体，其在一个世纪内的全球变暖潜能值大约是 CO2 的 270 倍，并且它还导致平流层臭氧消耗 [34]。农业土壤是人为 N2O 排放的主要来源，主要由微生物氮（N）转化过程驱动，包括自养硝化、反硝化和其他途径 [27]。在这些过程中，反硝化仍然是施肥农业土壤典型的厌氧或微好氧条件下主要的 N?O 来源 [24]。反硝化的环境影响不仅取决于其整体速率，还取决于其产物的分配，具体来说，即温室气体 N2O 与惰性气体 N2 之间的比率 [44]。因此，了解调节反硝化完全性（即 N2O/(N2O+N2) 比率）的因素对于减轻 N2O 排放至关重要 [36]。
农业中塑料薄膜的广泛使用导致了微塑料（MPs, <5 mm）在土壤中的日益积累，对土壤健康和生物地球化学循环构成了新的威胁 [10]。微塑料可以改变土壤物理结构、养分有效性和微生物群落组成，从而影响氮转化等关键过程 [32]。值得注意的是，作为环保替代品被推广的可生物降解塑料，在破碎后也会产生可生物降解微塑料，其可能对土壤生态系统产生不同于传统、难降解微塑料的独特影响 [41], [42]。虽然最近的荟萃分析表明微塑料可以刺激土壤 N2O 排放 [32]，但其潜在机制，特别是可生物降解型与传统型微塑料如何影响微生物反硝化过程和关键的 N2O/(N2O+N2) 产物比率，仍知之甚少且难以量化 [37]。
土壤反硝化受环境因素的复杂相互作用控制，包括碳（C）和氮（N）的有效性、pH 值和水分 [22], [29]。提高碳有效性可以增强反硝化过程并减少 N2O 产生，因为土壤碳为反硝化菌提供能量和电子供体 [22], [29]。土壤硝酸盐（NO3?）浓度被广泛认为是反硝化速率和 N2O 产生的关键决定因素 [2]，而土壤 pH 值通过调节硝化作用间接影响反硝化，并通过影响 N2O 还原酶的组装和活性直接影响反硝化 [24], [32]。土壤水分进一步作为氧化还原条件的主要驱动因素，调节 N2O 产生与消耗之间的平衡 [35], [6]。然而，这些改变的性质和方向预计可生物降解型与传统型微塑料之间存在根本差异 [32], [41]。传统型微塑料（例如 PE）作为惰性、不可水解颗粒持久存在，主要影响土壤物理性质，并可能通过改变通气性和持水性间接影响反硝化 [10]。相比之下，可生物降解型微塑料（例如 PBAT）可以在水解降解过程中释放活性碳，直接增加碳有效性并为微生物活性提供燃料，这反过来可能增强反硝化速率 [33]。因此，了解这两类微塑料如何与反硝化的关键调节因素差异性地相互作用，对于预测它们对土壤 N?O 排放的净影响至关重要。
在微生物水平上，反硝化由一系列由 nirK, nirS（亚硝酸盐还原酶）和 nosZ（N2O 还原酶）等功能基因编码的酶催化 [30]。这些基因的丰度和表达量对土壤条件敏感，并可能受到微塑料污染的影响 [32]。可以假设，可生物降解型微塑料释放的活性碳可能会上调反硝化基因簇的表达，特别是 nosZ，从而将反硝化产物化学计量比转向 N?而不是 N?O，而传统型微塑料可能无法刺激 N?O 还原，反而会促进不完全反硝化 [28]。然而，将微塑料引起的土壤性质变化、氮转化、反硝化基因丰度以及由此产生的 N2O 和 N2 通量联系起来的定量数据很少，特别是对于可生物降解型微塑料而言。
在反硝化过程中，NO3?作为关键底物，其动态由几个关键的土壤氮转化过程共同调节，包括氮矿化、硝化和微生物固定 [4]。虽然净转化速率仅反映对立过程的平衡，但总转化速率量化了并行的通量（例如，矿化与固定）和土壤氮循环的内部动态 [21], [9]。因此，采用总氮转化的视角对于透彻理解微塑料如何改变受污染土壤中的氮供应和反硝化潜力至关重要 [40], [42]。此外，气流 - 土壤柱（GFSC）技术允许在不使用示踪剂或抑制剂的情况下，直接、同步且高灵敏度地测量土壤 N2 和 N2O 排放速率，提供了对 N?O/(N?O+N?) 产物比率的罕见量化 [36]。然而，目前缺乏将总氮转化速率分析与通过 GFSC 技术直接量化气体通量相结合来研究微塑料影响的研究。
为了解决这些知识空白，我们整合了三种方法：（1）对 162 组观测数据进行全球荟萃分析，以确立微塑料对土壤 N2O 排放的总体影响；（2）采用 GFSC 技术的受控土壤柱实验，以直接且同步地测量 N2O 和 N2 排放速率，提供对 N2O/(N2O+N2) 比率的罕见量化；以及（3）15N 示踪技术结合 Ntraceplant 模型，以量化总氮转化速率和植物氮吸收。我们的目标是：1）量化可生物降解型与传统型微塑料如何影响总氮转化速率、反硝化速率和 N2O/(N2O+N2) 比率；2）揭示微塑料污染土壤中 N2O 排放变化的潜在机制。本研究从整合氮循环过程的角度提供了微塑料对土壤反硝化影响的机制性理解，为评估传统型和可生物降解型微塑料在农业中的环境意义提供了关键见解。
章节片段
实验设计
表层土壤样本（0–20 cm）采集自中国陕西省长武县（35°12'N, 107°40'E）的一处未耕地点。该地区经历温带大陆性季风气候，年平均温度为 9.1 ℃，年平均降水量为 584 mm。土壤为中壤土，其初始特性总结在表 S1 中。采样地点没有可见或已知的塑料污染。采集后，土壤风干并通过 2 mm 筛。
土壤和植物因子
与 CK 相比，添加微塑料的土壤降低了 NH4+、NO3?含量，而增加了全氮（TN）和 NO2?含量（p < 0.05）（图 1）。添加可生物降解型微塑料的土壤的全氮、NO3?、NO2?和电导率（EC）含量低于添加传统型微塑料的土壤（p < 0.05）（图 1；表 S5）。此外，与添加传统型微塑料的土壤相比，添加可生物降解型微塑料的土壤增加了土壤有机碳（SOC）、溶解性有机碳（DOC）、微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）含量（p < 0.05）（图 1；表 S5）。植物株高、生物量和氮吸收在添加可生物降解型...
N2O 排放和 N2O/(N2O+N2) 比率对微塑料的响应
我们的研究表明，土壤反硝化显著受微塑料添加的影响，导致添加微塑料的土壤中 N2O 排放增加（图 2b）。这一观察得到了包含 162 组配对观测数据的荟萃分析的支持，该分析显示微塑料添加增强了土壤 N2O 排放 45%?64%（图 4）。这种现象可能与微塑料引起的土壤性质、微生物功能和反硝化过程的改变有关（图 2，图 3，图 4）[36]。综上所述，
结论
本研究阐明了可生物降解型与传统型微塑料如何通过影响氮形态、氮转化过程和反硝化基因来调节土壤反硝化和 N?O 排放。可生物降解型微塑料通过释放活性碳，刺激微生物活性，增强氮总矿化和硝化速率，并增加供植物和微生物吸收的氮有效性。同时，它们提高了关键反硝化基因（例如 nirK, nirS, nosZI 和 nosZII）的丰度，促进完全...
未引用参考文献
[38]
CRediT 作者贡献声明
Rui Jiang: 写作 – 审查与编辑，概念化。Christoph Müller: 写作 – 审查与编辑。Hao Zhang: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿。Minhang Zhu: 写作 – 审查与编辑。Xiao Li: 写作 – 审查与编辑。Jinbo Zhang: 写作 – 审查与编辑。Rui Wang: 写作 – 审查与编辑。
利益冲突声明
本稿件此前未发表，也未提交给其他期刊考虑出版。作者声明他们没有任何已知的可能影响本论文报告工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
这项工作得到了内蒙古农业大学高层次/优秀博士人才研究启动项目（NDYB2025-45）、苏州大学研究启动基金、中国国家重点研发计划（2024YFD1701400）和中国陕西省自然科学基础研究计划（2020JZ-16）的支持。
竞争利益
作者声明他们没有任何已知的可能影响本论文报告工作的竞争财务利益或个人关系
Hao Zhang|Xiao Li|Minhang Zhu|Rui Wang|Jinbo Zhang|Christoph Müller|Rui Jiang
内蒙古农业大学资源环境学院，内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011，中国