多营养级相互作用决定不同类型微塑料对土壤细菌的影响

《Environment International》：Multi-trophic interactions determine the impact of distinct microplastic types on soil bacteria

　　

多营养级相互作用决定了不同类型微塑料对土壤细菌的影响。微塑料（microplastics，MPs）影响了细菌与线虫之间的营养级相互作用。低密度聚乙烯（low-density polyethylene，LDPE）和聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene adipate terephthalate，PBAT）提高了细菌α多样性（alpha diversity）。线虫增强了微塑料对细菌多样性的影响。类型特异性的微塑料效应在更接近现实的多营养级设置中最为显著。概要：目前关于微塑料在复杂多营养级相互作用中对土壤生物多样性的影响研究甚少。本研究表明，在更接近现实的多营养级相互作用中，线虫可促进微塑料对土壤微生物组的影响。

微塑料（microplastics，MPs）是粒径小于5 mm的塑料碎片，在土壤中大量积累，可通过改变土壤理化性质影响土壤功能。土壤细菌是养分循环和有机质分解的关键驱动者，而线虫作为主要的捕食性微生物动物，通过捕食调控细菌群落结构和活性。以往研究多单独考察微塑料对细菌或线虫的影响，忽视了二者之间的营养级相互作用，难以真实反映微塑料的生态效应。为此，研究人员设计了一项受控温室实验，探究不同类型微塑料（不可降解的低密度聚乙烯（low-density polyethylene，LDPE）、可生物降解的聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene adipate terephthalate，PBAT）和淀粉基微塑料）对土壤细菌和线虫群落的影响，并重点检验线虫是否存在是否会改变微塑料的作用。该研究发表于《Environment International》。

研究采用全因子设计，设置4种微塑料处理（无添加、LDPE、PBAT、淀粉基微塑料）和2种土壤生物条件（有线虫、无线虫），共80个重复盆。微塑料添加浓度为0.1%（w/w）。细菌接种物来源于荷兰瓦赫宁根周边花园和草地的土壤，经培养后接种；线虫群落从瓦赫宁根附近5个城乡地点的混合土壤中用Oostenbrink淘洗法提取，每盆接种约12000条线虫。培养11周后，测定线虫数量、细菌丰度（qPCR定量16S rRNA基因）、细菌群落组成（16S rRNA V4区扩增子测序）和功能预测（FAPROTAX）。统计分析采用方差分析（ANOVA）、Kruskal-Wallis检验、PERMANOVA和ANCOM-BC等。

研究结果显示：第一，微塑料未改变线虫和细菌丰度。微塑料添加对线虫总量无显著影响，细菌丰度也未因微塑料类型而改变；但线虫添加在无微塑料处理中使细菌丰度显著增加54%，表明线虫对细菌丰度的调控作用强于微塑料。第二，微塑料类型和线虫存在共同影响细菌群落结构。LDPE和PBAT显著提高细菌Shannon α多样性，线虫整体有降低α多样性的趋势；β多样性分析显示，线虫和微塑料均显著改变细菌群落组成，且线虫存在时微塑料的作用更强，PBAT和LDPE在有线虫条件下引起更多差异丰富的细菌类群（有线虫时45个，无线虫时15个）。第三，微塑料未改变细菌功能谱，而线虫显著改变了功能类群。与无线虫对照相比，有线虫时N循环相关功能相对丰度降低约2倍，C循环相关功能（如烃降解、甲烷氧化、甲醇氧化）升高约2–3倍，发酵功能降低约2倍。

讨论部分指出，微塑料对线虫丰度无影响可能与本实验使用的大粒径（>400 μm）颗粒难以被线虫直接摄食、培养时间较短以及接种的线虫群落具有物种多样性有关。细菌丰度未受微塑料影响则可能是因为微塑料对不同细菌类群存在选择性促进或抑制效应，导致总丰度不变。微塑料对细菌多样性的影响相对温和，但线虫的存在可放大这种效应，说明捕食性的营养级相互作用是调控微塑料生态后果的重要环节。微塑料未改变细菌功能谱可能归因于功能冗余，而线虫对功能谱的显著影响提示其通过捕食调节微生物代谢活性。结论部分表明，微塑料单独对细菌多样性的影响有限，而线虫显著塑造细菌群落，并增强微塑料类型特异性的效应。该研究强调了在评估微塑料对土壤生态系统的影响时，必须考虑多营养级相互作用，未来研究应关注更小粒径微塑料、更长实验周期及更复杂的食物网配置。