人工腐殖酸重塑微塑料污染土壤中的微生物碳氮代谢与氮分配

《Journal of Hazardous Materials》：Artificial Humic Acid Reshapes Microbial C-N Metabolism and Nitrogen Partition in Microplastic-Contaminated Soils

　　

摘要

微塑料对土壤生态系统构成严重威胁，特别是氮循环。在多种微塑料类型中，聚丙烯 (PP) 和聚乳酸 (PLA) 经常在农业土壤中被检测到。人工腐植酸 (A-HA) 是一种源自木质纤维素废物的类腐植酸物质，可能调节土壤碳氮动态，但其在不同微塑料胁迫下对氮分配和微生物碳氮代谢潜力的影响尚不清楚。本研究在受 PLA 和 PP 污染的土壤中开展了一项为期 90 天的微宇宙实验，整合了土壤理化分析、溶解性有机质表征、细菌群落分析和宏基因组学。在第 15 天，600 mg kg^-1 的 A-HA 使受 PLA 和 PP 污染土壤中的硝酸盐 (NO₃?-N) 分别降低了 11.36% 和 6.46%，同时使溶性有机氮 (SON) 分别增加了 17.32% 和 23.89%。A-HA 还富集了 Nitrospira 和 Steroidobacter，并改变了与氮转化、同化和碳代谢相关基因的丰度，包括 nrfA, GLU, gltB 和 icd。nrfA 丰度的增加表明异化性硝酸盐还原为铵 (DNRA) 潜力更大，而 NADP⁺ 依赖性 icd 的富集表明三羧酸循环中 2-酮戊二酸生成的潜力发生了改变。总体而言，A-HA 将氮分配修改为向溶性池和微生物有机池转变，并与微塑料暴露下微生物碳氮代谢潜力的协调变化有关。

引言

微塑料 (MPs) 通常被定义为小于 5 mm 的塑料颗粒，已成为陆地生态系统中的重要污染物 [1], [2]。MPs 广泛分布于各种环境隔室，从偏远的高海拔淡水系统到全球海洋以及陆地土壤和河流沉积物，尽管由于采样和分析方法的差异，报告的浓度存在很大差异 [3], [4], [5]。随着农业塑料薄膜的广泛使用，大量聚丙烯 (PP) 微塑料不断被引入农业土壤 [6]。这一现象威胁着土壤可用养分和微生物功能稳定性，这共同构成了土壤生态系统功能的基础 [7], [8], [9]。相比之下，聚乳酸 (PLA) 是一种含有可水解酯键的生物可降解聚合物，可被微生物降解，从而从源头上减少微塑料污染，其降解产物可被微生物利用 [10]。这些不同的聚合物特性可能改变碳可用性、微生物栖息地特征和微生物相互作用，从而产生微生物群落和氮转化过程的不同时间响应。先前的研究表明，生物可降解和常规 MPs 都可以改变土壤氮池和微生物功能潜力 [7], [11]。氮是土壤生物地球化学循环中的重要元素，以各种形式参与土壤养分循环，包括有机、无机、溶解、铵 (NH₄?-N) 或硝酸盐 (NO₃?-N) 氮。土壤氮循环由微生物驱动，主要过程包括氮固定、有机氮降解和合成、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和硝酸盐还原 [12], [13]。先前的研究表明，生物可降解和常规微塑料都可以通过改变氮转化过程和微生物功能活动来扰乱土壤氮循环。例如，Shi 等人 [14] 进行了微宇宙土壤培养实验，添加两种 MPs，聚乙烯 (PE) 和 PLA，添加率为 0.5% 和 1%。他们发现这两种 MPs 均显著降低了 NO₃?-N 和溶解性总氮 (DTN)，但增加了 NH₄?-N，表明 MP 添加后土壤氮生物有效性降低。Sun 等人 [15] 发现，将 0.3% 和 1% (质量比) 聚氯乙烯 (PVC) 添加到稻田土壤中，分别使 NH₄?-N 浓度降低了 16.10% 和 55.90%，NO₃?-N 降低了 23.89% 和 28.85%。因此，迫切需要开发有效策略来恢复 MP 污染土壤中微生物介导的氮分配。

作为一种典型的腐植质，腐植酸是土壤有机质的重要组成部分，在土壤碳氮循环中发挥着重要作用 [16]。腐植酸通过为微生物群落提供有机底物和介导氧化还原反应来影响土壤碳动态，从而调节养分可用性和生物地球化学循环。此外，腐植质容易与土壤矿物形成络合物，这可以显著改变共存污染物的界面吸附和环境命运 [17], [18]。天然腐植质是通过有机残留物长期微生物分解、转化和腐植化形成的，而人工腐植酸 (A-HA) 是指通过受控人工腐植化过程有意从生物质中生产的类腐植酸物质 [16], [19]。在本研究中，A-HA 是利用玉米秸秆通过我们研究小组开发的水热腐植化工艺合成的 [19]。因此，A-HA 通过其受控和加速的形成过程与自然形成的腐植酸区别开来，而其理化性质可能与商业腐植酸产品有所不同，后者随原料、提取工艺和产品配方的不同而有很大差异。合成方案和基本反应机制在文 S1 和文 S2 中进行了系统详述。研究表明，HA 可以改善土壤结构，增强微生物生物量，并促进碳封存 [20], [21]。因此，A-HA 成为一种有前景的土壤改良剂，用于修改土壤碳氮动态。此外，A-HA 还可以通过其富含碳的结构和氧化还原活性官能团调节微生物群落组装和代谢活性 [22]。然而，其在结构对比的微塑料胁迫下对氮分配和微生物功能响应的影响尚不清楚。特别是，尚不清楚 A-HA 能否协调微生物碳代谢与氮转化，从而促进氮向生物相关池的重新分配。

我们假设 A-HA 将通过协调微生物碳代谢与氮转化来修改微塑料污染土壤中的氮分配。由于 PLA 是生物可降解的，而 PP 相对难降解，我们进一步预期这两种聚合物之间这些微生物和氮响应的幅度和时机会有所不同。为了验证这一假设，进行了为期 90 天的微宇宙培养实验，使用添加了三种 A-HA 施用率的受 PLA 和 PP 污染的土壤。研究旨在：(1) 表征 A-HA 改良后无机、溶性有机和微生物氮池的变化；(2) 确定聚合物特异性的细菌群落组成和演替变化；以及 (3) 识别可能将碳代谢与微生物氮转化和同化联系起来的宏基因组功能变化。

章节摘要

土壤采集和实验材料准备

实验所用土壤采集自中国黑龙江省加格达奇区 (50°15′ N, 124°10′ E)，该地区具有长期的农业塑料薄膜覆盖历史 [23]。从农田边缘采集土壤并运输到实验室进行筛分和理化表征。初始土壤特性包括 pH 值为 7.28，溶解性有机碳 (DOC) 为 599.13 mg kg^-1，速效钾 (AK) 为 191.2 mg kg^-1，速效磷 (AP) 为

A-HA 对 MP 污染土壤理化性质和微塑料特征的影响

为了评估 A-HA 对微塑料污染土壤中养分动态的影响，在 90 天培养期内评估了可用养分。随着培养时间的增加，各组的 AK 含量不同程度的增加 (图 S1a)。在第 15 天，与 CK 相比，A-HA 处理组的 AK 显著增加 (p < 0.01)，并且随着 A-HA 浓度的升高有上升趋势。然而，到第 90 天，PP 组的 AK 含量不同程度上下降，其中 PP-CK

讨论

微塑料污染已成为对土壤生态系统功能日益增长的威胁，通过扰乱微生物介导的生物地球化学过程，特别是氮循环 [7], [8], [9]。持久性微塑料，如 PP，由于具有化学稳定的碳骨架和有限的微生物可降解性，可能在农业土壤中积累，从而改变土壤理化性质、微生物栖息地和养分转化过程 [4]。相比之下，生物可降解的

结论

本研究显示，A-HA 改变了受 PLA 和 PP 污染土壤中的氮分配和微生物功能潜力。A-HA 降低了 PLA 和 PP 土壤中的 NO₃?-N，同时增加了 SON 含量。微生物生物量氮 (MBN) 在后期采样阶段在 A-HA 处理组中保持较高水平。PLA 和 PP 表现出不同的响应时机，PLA 土壤中 DOC 和氮池的变化较早，而 PP 土壤中的群落和功能响应延迟。A-HA 与微生物类群的变化有关，例如

未引用参考文献

[63]

CRediT 作者贡献声明

马亚东： 可视化，形式分析，数据管理。 张佳乐： 数据管理。 杨凡： 数据管理。 程魁： 写作 - 审查与编辑，监督，项目管理，资金获取。 高启和： 写作 - 审查与编辑，写作 - 原创草案，方法论，调查，数据管理，概念化。 艾双： 写作 - 审查与编辑，监督。 张梅玲： 调查，数据管理。 李雨： 调查，数据管理。 李延通： 调查，数据

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划 (2024YFD1500503)、黑龙江省青年杰出项目 (JQ2024D001) 和黑龙江省优秀硕士/博士论文计划 (59010010) 的支持。

意义声明

本研究从微生物生态学的角度提供了使用人工腐植酸 (A-HA) 调节微塑料污染农业土壤中氮分配的观点。微塑料通过改变

高启和 | 艾双 | 张梅玲 | 李雨 | 李延通 | 马亚东 | 张佳乐 | 杨凡 | 程魁

中国哈尔滨，东北农业大学农业装备与能源工程学院