《Emerging Contaminants》：Impact of microplastics on soil microbiota and phosphorus dynamics - a review
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本综述系统阐述了微塑料（MPs）对农业土壤生态系统的影响，核心在于揭示了MPs如何通过改变土壤理化性质、微生物群落结构与功能，特别是干扰磷酸盐溶解菌等关键微生物，进而深刻影响土壤磷（P）循环的动态过程。文章重点剖析了不同MPs类型、浓度、尺寸及暴露时长等因素的差异效应，并指出当前研究在MPs-微生物-磷肥三者互作机制方面的认知空白，为可持续农业的磷管理与土壤健康风险评估提供了关键科学视角。
在当今塑料制品广泛使用的背景下，一种粒径小于5毫米的污染物——微塑料（MPs）——正对全球环境构成日益严峻的挑战。长期以来，研究焦点多集中于海洋生态系统，然而，越来越多的证据表明，陆地土壤，尤其是农业土壤，可能是MPs更重要的“汇”。这篇综述旨在深入探讨MPs侵入土壤后所引发的一系列连锁反应，特别是其对土壤中复杂而精密的生命网络——微生物群落，以及对植物生长至关重要的养分——磷（P）的动态循环所产生的深远影响。
1. 引言
塑料因其低成本、可塑性和耐腐蚀性被广泛应用，但会在物理、化学和生物过程作用下降解成MPs。MPs污染严重威胁农业土壤质量，降低生态系统服务功能。农用地膜覆盖、堆肥和污水污泥的施用是土壤MPs污染的重要来源。MPs会破坏土壤微生物群落，尤其影响磷酸盐溶解细菌和真菌，加剧养分失衡，降低土壤肥力。此外，MPs还能通过其表面吸附磷酸根离子、抑制关键磷循环酶（如碱性磷酸酶）的活性等方式，干扰土壤磷过程。然而，MPs的影响并非一成不变，其具体效应取决于MPs的类型、聚合物、尺寸、浓度以及暴露时间。MPs与有害化学物质的相互作用及其老化过程，更增加了环境研究的复杂性。目前，关于MPs对土壤微生物群落的作用模式及其对土壤磷动态影响的研究仍很有限。本综述系统总结了当前关于MPs对土壤微生物群、磷循环及磷酸盐溶解等关键过程影响的认知，评估了不同MPs聚合物、浓度和实验时长对土壤微生物群落的影响，并着重探讨了在MPs污染土壤中，土壤微生物群与磷之间的相互作用。
2. 文献收集方法
为确保全面性，本研究基于PRISMA指南，在2011年至2025年间，对Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar等数据库进行了系统文献检索。关键词包括“microplastics”、“soil microbiota”、“phosphorus dynamics”等。最终，共有176篇相关文章被纳入定性分析。
3. 陆地土壤中的微塑料，重点关注农业土壤
MPs可分为初级MPs（ intentionally manufactured，如微珠）和次级MPs（由大块塑料破碎形成）。如图1所示，尽管海洋生态系统研究一直占据数量优势，但自2018年以来，土壤生态系统的相关研究数量急剧上升，表明研究重心正在显著转向。农业土壤由于塑料地膜、污水污泥、堆肥添加和废水灌溉等农业活动，极易受到MPs污染。据估计，污水污泥的年施用可为北美和欧洲的农业系统分别带来数万至数十万吨的塑料颗粒。MPs进入土壤后，会通过一系列复杂的物理、化学和生物过程与土壤组分相互作用。其疏水性等特点会影响土壤持水能力（WHC）、容重、团聚体稳定性等物理性质，从而间接影响微生物活动。同时，MPs的高比表面积和疏水性使其能有效吸附重金属和持久性有机污染物，成为污染物的载体。如图2所示，MPs从多种途径进入农业系统，并在土壤中引发从理化性质改变到抑制微生物活性、干扰养分循环等一系列负面效应，最终损害植物生长。
4. 微塑料对土壤微生物群的影响
MPs污染会扰乱土壤微生物组的平衡，改变群落结构和多样性。MPs可以构成独特的微生境，被特定的微生物群落定殖，包括潜在的塑料降解菌和病原菌。例如，有研究发现，MPs在土壤中可以作为独特的微生物栖息地，富集了塑料降解菌和病原菌。MPs对微生物活性的影响可能是抑制或促进，这通常与MPs的特性（如尺寸、形态、组成）和实验条件（剂量、添加时长）的差异有关。表1（见原文）详细汇总了不同类型MPs在不同浓度、土壤类型和实验周期下对土壤微生物群落的具体影响。研究表明，MPs的影响具有分类群特异性。例如，聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC） MPs通常会减少Chloroflexi和Firmicutes的丰度，而富集Proteobacteria、Acidobacteriota和Bacteroidota。真菌群落则常表现为子囊菌门（Ascomycota）丰度增加。这些影响还受到MPs所含添加剂（如增塑剂）的显著调控。例如，含有邻苯二甲酸酯增塑剂的PVC MPs能够富集病原真菌类群。此外，暴露时间至关重要。短期添加可能不会引起微生物群落结构的显著变化，而长期暴露则会导致所有测试聚合物类型的微生物组成发生显著改变，表明时间效应可能比聚合物类型对土壤微生物群落响应的影响更为主导。更重要的是，MPs污染会选择性促进病原微生物的生长和存活。破碎的MPs为土壤传播的病原菌（如蜡样芽孢杆菌Bacillus cereus、假单胞菌Pseudomonas等）提供了适宜的微生境。“塑料圈”（plastisphere）通常比周围土壤含有更高丰度的病原菌和抗生素抗性基因，成为基因水平转移的热点。MPs还能通过抑制抗生素的降解来加剧微生物耐药性，并通过物理损伤植物根部细胞削弱宿主防御，从而增加作物病害爆发的风险。
5. 微塑料对土壤磷动态的影响
磷是生命体必需的关键营养元素。MPs可以通过提供不同的磷源，或通过改变酶和微生物活性来影响环境中的磷过程。其影响是促进还是抑制，高度依赖于MPs的浓度、聚合物类型和实验持续时间。例如，有研究发现，MPs的加入降低了总磷含量，而另一些研究则显示较高浓度的MPs（特别是可生物降解塑料）可以通过提供易利用碳源激发微生物活性，从而增加磷的释放。这反映了一种剂量效应关系：低浓度MPs可能导致磷的固定和有效性降低，而高浓度可生物降解MPs则可能促进有机磷的矿化。MPs对土壤磷的一个重要影响途径是 immobilization（固定），即通过其表面的羟基、羧基等功能团吸附磷酸根离子。但这种吸附能力因聚合物类型而异，老化且表面改性的MPs由于含氧官能团更多，其吸附能力高于原始的聚合物。土壤pH是控制磷溶解度的关键因子，而MPs会根据聚合物类型对pH产生不同影响。传统的MPs（如PE、聚苯乙烯PS）在碱性土壤中会提高pH，有利于磷与钙离子结合沉淀，从而降低有效性。相反，可生物降解MPs（如聚乳酸PLA）在降解过程中释放有机酸，降低土壤pH，在富含铁、铝氧化物的土壤中反而可能增加磷的溶解度。除了直接的化学相互作用，MPs还通过间接机制影响磷循环，例如其添加剂（如邻苯二甲酸酯、双酚A）的浸出会抑制微生物对磷的吸收，造成营养失衡。MPs作为重金属和有机污染物等共污染物的载体，其复合污染的毒理效应也复杂多变。
5.1. 对植物有效磷的影响
MPs对植物有效磷的影响极具变数。例如，有研究显示，PE和聚丙烯（PP） MPs孵育三个月后，土壤有效磷（Olsen-P）显著下降。传统的PE、PVC和可生物降解的PLA均降低了Olsen-P，且较小尺寸（25 μm）和较高浓度（5%）的MPs降低效应最显著。这表明在高浓度和小粒径条件下，物理遮蔽和表面吸附是主导机制。然而，并非所有研究都遵循此趋势。例如，PS MPs与吡虫啉农药共暴露，反而增加了磷酸盐溶解细菌的相对丰度，导致磷酸酶活性增强和Olsen-P升高。这表明当共污染物改变了微生物群落结构，并有利于磷活化功能微生物类群时，MPs的效应可能从负面转向正面。MPs既可以抑制也可以刺激微生物过程：添加剂的浸出会抑制磷酸酶活性和微生物量，而MPs表面作为定殖位点和碳源，又能刺激特定功能类群。这些看似矛盾的结果反映了真实的生态变异性，其受毒性效应（添加剂介导）与生境提供（生物膜介导）两者相对重要性的控制。实验设计的其他参数，如暴露时间长短、MPs粒径大小等，也会导致结果差异。目前最急迫的问题是，实验室测得的有效磷降低，是否真的转化为田间条件下植物磷吸收和产量的实际限制。
5.2. 磷酸盐与微塑料的潜在结合及其意义
MPs可以作为磷的净汇或间歇性来源。原始MPs的磷酸盐吸附能力较低，而经过老化和风化的MPs，由于表面更粗糙、氧化程度更高、含有更多羟基或羰基，其吸附能力更强。然而，这种吸附的磷并非被永久固定。在pH变化或与硫酸根、硝酸根离子竞争等生物地球化学条件改变时，会发生解吸，这使得MPs成为动态的磷库，而非永久性的汇。根系和微生物分泌物也会影响磷从MPs表面的解吸。这一动态过程使得预测MPs对土壤磷肥力的长期效应变得困难。目前存在一些根本性的不确定：MPs吸附的磷相对于土壤总磷库的贡献有多大？在动态的土壤环境中，MPs对磷的吸附和解吸过程发生在小时、天还是年的时间尺度上？从MPs上解吸下来的磷是否真的对植物和微生物有效？MPs的存在是改变了磷在土壤固-液相之间的平衡分布，还是仅仅增加了一个吸附相而未根本改变磷的生物地球化学？
5.3. 对磷酸盐溶解等微生物过程的影响
MPs对磷酸盐溶解微生物（PSMs）的影响是功能群特异性的，而非简单的抑制或促进。有证据表明MPs可以影响磷酸盐溶解细菌（PSB）的丰度和功能，但效应性质多变。例如，一些研究发现MPs通过竞争排斥、pH变化或营养螯合抑制PSB，而另一些研究则发现MPs增加了PSB的丰度，尤其是在“塑料圈”生物膜基质中。这可以用微生物的生境分区原理解释。非PSM定殖者可能在MPs表面更占优势，从而竞争排挤土壤基质中的PSM；但在另一些情况下，富碳的“塑料圈”生境可能选择性支持富营养型的PSB。功能基因研究更多地支持抑制效应。研究发现MPs降低了与碱性磷酸酶（phoD, phoX）和无机磷溶解（ppk, pqqC）相关的基因数量，并降低了磷酸酶活性。这意味着尽管某些细菌种群可能在MPs上繁盛，但土壤整体的磷矿化遗传能力常被削弱。一个较为一致的模式是：传统MPs（PE, PVC）通常会抑制磷酸酶活性和磷溶解功能基因的表达，而可生物降解MPs（PLA, 聚丁二酸丁二醇酯PBS）则因其更高的碳可利用性，更可能刺激这些过程。当然，这种差异也并非绝对，其受到土壤类型、有机质含量和暴露时长的调节。因此，现有文献支持一种“功能干扰”模型，即MPs选择性过滤微生物功能性状，通常以牺牲传统的磷活化微生物为代价，这对土壤长期肥力和植物养分获取具有重要影响。当前研究对真菌磷酸盐溶解者（包括从枝菌根和 ectomycorrhizal fungi）几乎一无所知，而它们在许多农业和自然系统的磷获取中扮演核心角色。此外，“塑料圈”生物膜中磷溶解基因水平转移的可能性也从未被探索。
6. MP污染土壤中土壤微生物群与磷肥的相互作用
MPs与磷肥在农业土壤中共存，构成了复杂的互作情境。如图3所示，MPs通过环境暴露老化，增加对磷的吸附，降低其有效性；同时改变微生物群落并抑制磷酸酶活性，损害磷循环和土壤肥力。MPs可以直接影响磷肥的功能，通过改变参与磷肥转化的微生物群落。例如，MPs已被证明会影响含有phoD基因（参与有机磷矿化）的土壤微生物群落组成，从而降低土壤自身活化磷的能力。这意味着，在MPs污染的土壤中，等量的磷肥效果会打折扣，因为将磷肥转化为植物可用形式的微生物“机器”受到了损害。同时，MPs本身可以作为磷的物理载体，吸附来自所施磷肥的磷酸根离子。这形成了一种直接的竞争：微生物群落和MPs在“争夺”肥料中的磷。这种竞争的结果决定了养分的去向——是被转化为微生物量、吸附在塑料表面，还是保持有效态。这种竞争过程建立了一种潜在的权衡。虽然MPs吸附会通过固定磷而降低当季肥料磷的短期效能，但同样的载体作用也能降低砂质土壤中磷的淋失速率，从而延长养分在根际的保留时间。因此，MPs有可能充当一个缓释库，调节肥料脉冲与植物吸收之间的时间关系。此外，MPs对磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶等与磷相关酶活性的抑制作用已得到充分证实。这种抑制直接影响磷肥的转化过程，导致即使有磷存在，矿化有机磷或从肥料中溶解无机磷的微生物机器效率也会降低。
