微塑料对两种农业土壤中氮氧化物（N?O）排放及反硝化菌的影响对比

《Applied Soil Ecology》：Contrasting effects of microplastics on N 2O emission and denitrifiers in two agricultural soils

可降解微塑料PBAT和传统PE微塑料在不同土壤中显著影响N?O排放，酸性土壤中PBAT降低排放22%而PE增加35%，中性土壤中PBAT使排放激增437%。机制涉及PBAT干扰反硝化过程及微生物群落变化，特别是nirK基因丰度的差异。

　　

朱凤晓|周傲宇|丁玉清|王浩杰|常莎|李雅|何欢

南京师范大学环境学院，中国南京，210023

摘要

近年来，可降解塑料在日常生活和农业中的应用日益增多。由于产生的可降解微塑料（MPs）含有易分解的碳，可能会刺激土壤中的反硝化菌，因此迫切需要研究它们对土壤氮转化和温室气体排放的影响。在本研究中，我们发现聚（丁酸己二酸酯-对苯二甲酸酯）（PBAT）可降解微塑料和常规聚乙烯（PE）微塑料在0.5%（w/w）的添加量下足以对土壤N?O排放产生显著影响，但具体效果在不同土壤中差异很大。在酸性土壤中，PBAT微塑料在90天后使N?O排放减少了22%，而PE微塑料则导致N?O排放增加了35%。在中性土壤中，PBAT微塑料使N?O排放增加了437%，而PE微塑料几乎没有影响。通过添加1?N标记的(NH?)?SO?，证实PBAT微塑料通过N?O影响了肥料的损失。硝化/反硝化活性分析表明，微塑料主要通过干扰反硝化过程影响N?O排放。在中性土壤中，PBAT增加了携带nirK（如Sinorhizobium）和nirS基因的反硝化菌的数量；在酸性土壤中，基因数量保持稳定，但nirK型反硝化菌的组成在PBAT暴露后发生了变化，其中Rhodopseudomonas与反硝化速率呈正相关。结果表明，可降解微塑料在中性/壤土中会增加N?O排放，而PE在酸性/壤质粘土中则相反，这强调了在评估其风险时考虑土壤特性的必要性。

引言

作为传统塑料的替代品，近年来可降解塑料的使用量不断增加（European Bioplastics, 2024）。与传统塑料一样，可降解塑料在风化过程中会分解成微塑料（MPs，< 5 mm），这些微塑料通过大气沉降和作物收获后覆盖膜的耕作等多种途径进入土壤环境（Wei et al., 2021）。微塑料（无论是传统的还是可降解的）不仅会影响土壤的物理化学性质，还会影响微生物活动，从而影响土壤的生物地球化学循环（Fan et al., 2022; Feng et al., 2023）。N?O是土壤中氮损失的主要形式，是仅次于CO?和CH?的第三大温室气体，其全球变暖潜力是CO?的298倍。自工业革命以来，土壤生态系统和农业活动对N?O排放的贡献显著增加（Lawrence et al., 2021）。鉴于可降解塑料的应用持续增加，研究它们对农业土壤中N?O等温室气体排放的影响变得至关重要。

最近有研究表明，微塑料会影响土壤中的N?O排放；然而，大多数现有研究集中在传统的PE微塑料上，而关于可降解微塑料在环境相关浓度（≤ 1% w/w）下的影响的信息仍然很少（Zhang et al., 2025a）。这不利于评估可降解塑料是否更环保。PBAT是一种最有前景的可降解塑料，广泛用于农业覆盖膜和包装袋（European Bioplastics, 2024），并且已被确定为应用可降解薄膜的农业土壤中主要的微塑料类型之一（Boughattas et al., 2021）。因此，研究PBAT可降解微塑料如何影响土壤N?O排放将有助于预测农业土壤中温室气体排放的变化。由于之前有报道称传统微塑料（如PE）在不同土壤中的效果存在矛盾（Greenfield et al., 2022; Yu et al., 2022），这可能是由于土壤特性的差异，因此有必要研究不同土壤中可降解微塑料的影响。获得的数据将有助于评估与更高风险相关的土壤条件。此外，常用的矿物氮肥对促进植物生长，是土壤中N?O排放的重要或主要来源（Liao et al., 2021）。然而，可降解微塑料是否会影响氮肥的气态损失尚不清楚。

N?O主要来自土壤中的微生物介导的硝化和反硝化过程（Kuypers et al., 2018）。阐明微塑料如何改变氮转化以及N?O排放的机制对于预测它们作为新兴全球气候变化因素的影响以及减少温室气体排放至关重要。首先，作为固体颗粒的微塑料可以改变土壤的通气性/团聚性，从而影响与好氧硝化和厌氧反硝化过程相关的微生物活动，并改变土壤氮循环（Rillig et al., 2021）。其次，许多反硝化微生物在利用NO??作为电子受体时会消耗有机物（Hanrahan and Chan, 2005）。可降解微塑料在降解过程中释放易于矿化的碳，可能会刺激反硝化微生物，从而增加N?O排放（Zhang et al., 2024）。另一方面，一般微生物的增殖可能导致无机氮的固定增加，减少硝化和反硝化的底物浓度（Yu et al., 2022），并且释放的有毒代谢物可能会抑制特定的反硝化菌（Zhang et al., 2025b）。目前，PBAT微塑料在不同土壤中如何改变N?O排放的机制尚不清楚。特别是，参与氮循环的微生物多样性可能是N?O排放的关键预测因素（Bahram et al., 2022），但关于反硝化菌群落组成对微塑料的反应知之甚少。

在本研究中，我们系统地研究了PBAT微塑料在两种具有不同特性的农业土壤中的影响，并与传统PE微塑料进行了比较。监测了N?O通量并分析了其与微塑料降解性的关系；添加了1?N标记的(NH?)?SO?以了解微塑料对N?O来源的影响；分析了硝化/反硝化活性和功能基因的丰度/组成，以揭示微塑料添加后N?O排放变化的微生物驱动因素。这些结果将有助于我们更好地理解可降解微塑料对土壤生态系统N?O温室气体排放的影响和机制。

部分摘录

土壤和微塑料

由于蔬菜土壤是氮肥施用和N?O排放的热点区域（Wang et al., 2011），本研究中使用的两种土壤分别来自中国湖南省株洲市和江苏省镇江市的蔬菜田。前者是一种酸性壤质粘土土壤（pH 5.0），后者是一种中性壤土（pH 7.2）。其物理和化学性质见表1。使用前，将空气干燥并筛分的土壤在30°C下预培养7天以恢复

PE和PBAT微塑料对土壤N?O排放的影响

在酸性土壤中，与对照组相比，PBAT微塑料在1-50天内显著降低了N?O排放率，但在60-90天内又增加了N?O排放率，总体排放量减少了22%（图1 A和C）。PE微塑料在早期阶段对N?O排放率没有影响，但从40天开始增加了N?O排放率，导致累计N?O排放量增加了35%。在中性土壤中，N?O排放率在早期阶段通常高于后期阶段。添加PBAT微塑料后

结论

微塑料对N?O排放的影响因土壤类型和微塑料的降解性而异。PBAT在中性壤土中使N?O排放增加了437%，但在酸性壤质粘土中则产生了相反的效果。顽固的PE对N?O排放率的影响较小。它在中性土壤中几乎没有显著影响，但在酸性土壤中表现出积极影响（即PE降解发生的土壤）。反硝化菌对PBAT的反应

CRediT作者贡献声明

朱凤晓：写作 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。周傲宇：写作 – 原稿撰写，方法学，研究，数据管理。丁玉清：写作 – 审稿与编辑，研究，数据管理。王浩杰：研究。常莎：研究。李雅：数据管理。何欢：写作 – 审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42277031）的支持。