生物炭在调控微塑料对土壤氮影响中的双重作用

《Frontiers in Microbiology》：The dual role of biochar in modulating microplastic effects on soil nitrogen

　　

摘要翻译：微塑料因其抗降解性而在环境中持续存在，并对陆地生态系统构成日益严重的威胁，影响土壤理化性质及氮（N）循环。生物炭被广泛用于改善土壤质量并缓解污染。然而，关于生物炭如何调控微塑料对土壤氮循环的影响，目前知之甚少。为此，研究人员开展了一项土壤培养试验，以研究不同聚乙烯微塑料粒径（6.5、600和1700 μm）对土壤氮动态的影响，并评估生物炭在微塑料污染土壤中的联合作用。尽管在部分采样时间点观察到各微塑料粒径处理间存在显著差异，但在整个培养期间并未观察到一致的粒径依赖效应对土壤氮库的影响。然而，生物炭的添加显著提高了土壤全氮、硝态氮和碱解氮含量。微生物群落分析显示，与对照处理相比，1700 μm聚乙烯微塑料与生物炭联合处理导致了独特的微生物群落结构，尤其在培养45天后最为明显。微生物群落分析还表明，聚乙烯微塑料与生物炭的组合改变了优势细菌属的组成，其中在培养45天后，1700 μm微塑料处理下观察到了最大的群落位移。总体而言，微塑料的存在和生物炭改良均改变了土壤微生物群落组成。这些研究结果表明，在本研究的实验条件下，玉米秸秆生物炭可能提高土壤氮有效性，并为微生物对聚乙烯微塑料的响应提供了见解。未来需要在不同土壤类型、生物炭原料、微塑料聚合物及田间条件下开展更多研究，以评估这些发现的更广泛适用性。

论文解读文章

一、研究背景与问题

全球塑料产量预计到2050年将达到340亿吨，目前约有32%的塑料在丢弃前未得到充分处理。微塑料（MPs）是指粒径小于5 mm的塑料碎片，可通过农用地膜残留、堆肥、污泥、包膜肥料施用、污水灌溉及大气沉降等途径进入农业土壤。其中，聚乙烯（PE）地膜残留是农田土壤微塑料污染的主要来源。微塑料具有较大的比表面积、丰富的表面官能团和较强的吸附能力，能够改变土壤容重、孔隙度、持水能力和团聚体稳定性等物理化学性质，进而影响微生物群落结构和活性，干扰土壤养分循环。氮是土壤生物地球化学过程中的关键元素，微塑料的累积可能导致氮形态转化失衡，影响土壤肥力、农业污染和温室气体排放。已有研究表明微塑料对土壤有机氮、铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^?-N）的影响存在正效应、负效应和无效效应等多种不一致结论，其机制涉及对硝化、反硝化等功能微生物及相关功能基因的干扰。

生物炭是通过热解产生的稳定碳形态，被广泛认为具有改善土壤肥力、提高氮素持留和循环的能力。生物炭的高比表面积和多孔结构可吸附NH₄⁺-N，减少氮淋失，同时为固氮和硝化微生物提供微生境。然而，生物炭的氮素稳定效应能否抵消微塑料的不利影响，尤其是对不同聚乙烯粒径微塑料的调控作用，尚未得到验证。因此，本研究旨在探讨不同粒径聚乙烯微塑料对土壤氮循环的影响，以及生物炭在微塑料污染土壤中对氮循环的调控作用及潜在微生物机制。

二、研究技术与方法

研究人员采集了四川省德阳市中江县未耕地表层（0–20 cm）土壤，土壤pH为8.36，总有机碳7.15 g kg^?1，全氮1.12 g kg^?1，未检出微塑料。实验选用三种粒径的聚乙烯颗粒（1700 μm、600 μm和6.5 μm），微塑料添加浓度为0.5% w/w，生物炭为玉米秸秆生物炭，添加浓度为1% w/w。设置了对照、单独生物炭、三种粒径微塑料单独处理及三种粒径微塑料与生物炭联合处理共8个处理，每个处理3个重复，在25°C黑暗条件下进行为期45天的土壤培养试验，分别在0、3、7、15、30和45天采样。土壤全氮采用元素分析仪测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，NH₄⁺-N和NO₃^?-N采用连续流动分析仪测定。微生物群落分析采用16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序，基于QIIME2流程进行生物信息学处理，利用α多样性指数、β多样性PCoA分析、PERMANOVA检验、共现网络分析及冗余分析（RDA）等手段解析群落结构与土壤氮素的关系。

三、研究结果

1. 微塑料和生物炭对土壤氮素变化的影响

（1）全氮变化：在培养初期（3–15天），微塑料处理相比对照降低了土壤全氮含量，但不同粒径之间的差异随时间减弱。至30和45天时，微塑料单独处理的全氮与对照无显著差异，表明微塑料粒径对全氮无一致效应。生物炭的添加在所有粒径处理中均显著提高了全氮含量（p<0.05），尤其在培养3、7和15天时效果明显。所有处理中，单独生物炭处理在培养7天时全氮最高（1.45 g kg^?1），1700 μm微塑料处理在3天时全氮最低。

（2）NO₃^?-N变化：各处理在0、3、7和15天时NO₃^?-N含量差异不显著，但整体呈上升趋势。30天后所有处理NO₃^?-N含量增加。生物炭在不同粒径微塑料污染土壤中对NO₃^?-N的影响不显著，仅在30和45天时单独生物炭处理较对照略有增加。各处理NO₃^?-N含量在第7天最低，第45天最高。

（3）NH₄⁺-N变化：生物炭对NH₄⁺-N的影响随培养时间和微塑料粒径而变化。在培养早期（3–15天），生物炭显著提高了6.5 μm和600 μm微塑料处理下的NH₄⁺-N含量，但后期处理间差异减弱。最高NH₄⁺-N水平出现在培养45天时的600 μm微塑料处理。

（4）碱解氮变化：与对照相比，生物炭并未提高碱解氮含量。较小粒径（6.5 μm和600 μm）微塑料在所有时间点均显著降低了碱解氮含量（p<0.05），而较大粒径（1700 μm）在培养45天后提高了含量。小粒径微塑料与生物炭混合时碱解氮略有增加，但1700 μm微塑料与生物炭联合处理与单独微塑料无显著差异。最高碱解氮出现在45天时600 μm微塑料与生物炭联合处理，最低在3天时600 μm单独处理。

2. 微塑料粒径和生物炭对土壤微生物群落的影响

α多样性分析显示，所有处理的Chao1和Simpson指数总体增加，表明物种丰富度和均匀度上升。1700 μm微塑料与生物炭联合处理在培养45天后显著提高了Chao1指数，但其Shannon指数相对较低，提示丰富度增加并未伴随均匀度的成比例上升。β多样性PCoA分析表明，培养0天时各样本紧密聚集；15天时生物炭添加组形成独立于微塑料组的簇；45天时生物炭添加组形成紧密且分离明显的簇。优势细菌属的相对丰度分析显示，生物炭改良影响了优势菌属组成，1700 μm微塑料与生物炭联合处理在45天后表现出最大的群落位移。共现网络分析表明，微塑料单独处理显著降低了网络复杂性和连通性，而生物炭的添加部分缓解了这种效应，增加了网络节点数和模块性，尤其在6.5 μm微塑料与生物炭联合处理中。

3. 土壤氮素与细菌变量的相关性

冗余分析（RDA）显示，培养0天时环境因子向量短，各处理紧密聚集；15天时生物炭添加处理与NO₃^?-N呈正相关，而非改良处理更靠近NH₄⁺-N和全氮轴；45天时模型解释力最强，6.5 μm微塑料与生物炭联合处理形成与高NH₄⁺-N有效性密切相关的独立簇，对照和微塑料单独处理则位于相反方向。RDA结果表明微生物群落结构与土壤氮动态之间的关系随培养时间逐渐增强。

四、讨论与结论

讨论部分指出，生物炭在不同微塑料粒径胁迫下对土壤氮动态起调节作用，但效应因氮形态和粒径而异。生物炭一致性地提高了微塑料污染土壤中的全氮含量，这与其增强氮素吸附位点、改善团聚体结构及物理保护有机氮免受快速矿化有关。微塑料单独处理在早期降低全氮的效应随时间减弱，表明其扰动在受控培养条件下可能是暂时的。生物炭对NO₃^?-N的影响呈粒径依赖性：对小粒径微塑料污染的土壤无显著影响，但对大粒径（1700 μm）微塑料污染土壤的NO₃^?-N含量有明确提升，可能因为较小微塑料具有更高比表面积和反应活性，对硝化微生物生态位或无机氮吸附的干扰更强。生物炭对NH₄⁺-N倾向于轻微降低，可能反映了生物炭刺激微生物对铵的利用或转化而非直接物理化学固定。生物炭对碱解氮影响甚微，表明其对潜在可矿化有机氮库的调控有限。微生物群落的变化与氮动态相关联，但研究人员强调由于未测定功能基因、微生物活性和氮转化速率，不能建立因果关系。研究结论指出：聚乙烯微塑料粒径影响土壤氮动态和微生物群落组成；生物炭改良一致性地提高土壤全氮并改变微生物群落结构，但其对硝态氮、铵态氮和碱解氮的影响因粒径和培养时间而异。在特定实验条件下，玉米秸秆生物炭可能改善聚乙烯微塑料污染土壤的氮有效性，但由于仅使用单一土壤类型、单一生物炭原料、单一微塑料聚合物和固定添加浓度，结果不能推广至所有农业系统，未来需在不同土壤类型、生物炭原料、微塑料特性、污染水平和田间条件下开展进一步研究。该论文发表在《Frontiers in Microbiology》。