韋 婧,涂 晨,楊 杰,劉 穎,黃碩霈,卜元卿,駱永明

1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所國家環(huán)境保護(hù)土壤環(huán)境管理與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042;2.中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;3.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081;4.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所國家環(huán)境保護(hù)農(nóng)藥環(huán)境評(píng)價(jià)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042〕

微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料類污染物,包括作為原料用于工業(yè)制造或化妝品生產(chǎn)的初生微塑料,以及經(jīng)高溫、光照、磨損等環(huán)境作用和生物降解作用分裂而成的次生微塑料[1]。作為全球性的環(huán)境問題,海洋環(huán)境中微塑料的來源、賦存特征、環(huán)境行為及生態(tài)效應(yīng)已受到普遍關(guān)注[2]。2020年,德國學(xué)者RILLIG等[3]在《Science》期刊上發(fā)表觀點(diǎn)文章指出,未來要更加重視微塑料在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)效應(yīng)與系統(tǒng)反饋研究。已有報(bào)道表明,土壤環(huán)境中的微塑料豐度可能是海洋的4～23倍,其來源包括塑料農(nóng)膜的使用、污泥和有機(jī)肥的長期施用、大氣微塑料的沉降以及地表徑流和污水灌溉等途徑[4-5]。據(jù)估算,歐洲和北美地區(qū)每年約有6.3萬～43萬和4.4萬～30萬t微塑料輸入到農(nóng)田土壤中[6]。土壤中微塑料豐度的變異性較大,這與土地利用類型及微塑料的分離、檢測(cè)方法等有關(guān)。LIU等[7]報(bào)道了上海城郊菜地土壤中微塑料平均豐度約為78個(gè)·kg-1,成分以聚丙烯(polypropylene, PP)和聚乙烯(polyethylene, PE)為主。費(fèi)禹凡等[8]對(duì)杭州灣設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)的調(diào)查表明,表層土壤中微塑料豐度最高可達(dá)1 560個(gè)·kg-1,PE薄膜微塑料普遍存在。農(nóng)膜(包括棚膜和地膜)的使用是土壤中微塑料的重要來源之一,殘留在土壤中的農(nóng)膜在光照、機(jī)械擾動(dòng)、土壤動(dòng)植物及微生物等的共同作用下更易破碎、分解形成微塑料,進(jìn)而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的環(huán)境與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。研究表明,微塑料能夠改變土壤理化性質(zhì),影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和污染物歸趨,影響土壤微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)與功能[11-16]。根際土壤中的微塑料不僅可影響植物根系生長[17-18],還可被高等植物根部吸收和富集,并積累和分布在可食部位中[19-20]。土壤中的微塑料還可對(duì)線蟲、跳蟲、蚯蚓和蝸牛等無脊椎動(dòng)物的個(gè)體生長、繁殖、攝食以及腸道菌群等產(chǎn)生影響,并可通過食物鏈發(fā)生傳遞、富集,帶來健康風(fēng)險(xiǎn)[21-24]。

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的分解者,在促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解、推動(dòng)土壤生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)等過程中起著重要作用。土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性是評(píng)價(jià)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤健康的重要指標(biāo)[25]。微塑料進(jìn)入土壤之后,會(huì)直接或者間接地改變土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)與多樣性,進(jìn)而影響與土壤碳循環(huán)、氮循環(huán)、抗性基因表達(dá)和遷移等土壤生物地球化學(xué)過程有關(guān)的微生物群落功能(圖1)[26]。

圖1 微塑料對(duì)土壤污染物吸附、土壤微生物生物量以及微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的影響

盡管當(dāng)前已有文獻(xiàn)對(duì)土壤中微塑料的污染特征、來源、表面變化、生物膜形成、植物和土壤動(dòng)物毒性效應(yīng)等方面進(jìn)行了歸納和綜述[27-30],但有關(guān)微塑料對(duì)土壤微生物生態(tài)效應(yīng)與功能影響方面的研究和綜述仍非常有限[31]。筆者在梳理最新國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)綜述了微塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)、污染物相互作用的影響,重點(diǎn)關(guān)注微塑料對(duì)土壤微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響,并提出了未來的重點(diǎn)研究方向,旨在為開展土壤微塑料與微生物的相互作用研究提供參考。

1 微塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)和污染物相互作用的影響

1.1 微塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

微塑料對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響主要集中在土壤團(tuán)聚體組成結(jié)構(gòu)、土壤容重、土壤孔隙度、滲透性和持水能力等方面[32-33]。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性顯著影響土壤孔隙度、滲透性和土壤水肥氣熱的調(diào)節(jié)功能[34]。隨著微塑料在土壤中的不斷累積,部分微塑料可不同程度地嵌入到土壤團(tuán)聚體中,影響土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)組成和穩(wěn)定性,進(jìn)而引起土壤容重、滲透性、孔隙度以及持水能力等理化性質(zhì)的改變。微塑料對(duì)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響不僅與微塑料的類型、濃度、形狀和粒徑等因素有關(guān),還與土壤性質(zhì)有關(guān)。如,DE SOUZA MACHADO等[9]研究表明,土壤容重和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量隨著土壤中聚酯纖維(polyester fibre, PES)濃度的增加而顯著降低,而聚丙烯酸(polyacrylic acid, PAA)纖維和PE碎片則未顯示出類似效應(yīng);而李淑潔等[34]研究發(fā)現(xiàn),PE微塑料會(huì)破壞低有機(jī)質(zhì)含量〔(10.33±0.04) g·kg-1〕土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,但可增強(qiáng)高有機(jī)質(zhì)含量〔(33.92±0.14) g·kg-1〕土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。此外,土壤中微塑料顆粒極易填充土壤孔隙空間,改變土壤孔隙度,從而影響土壤水分蒸發(fā)和土壤孔隙水含量[35],進(jìn)而影響植物生長發(fā)育以及土壤中厭氧或好氧微生物的種類和多樣性。WAN等[36]研究發(fā)現(xiàn),土壤中加入不同粒徑(2和5 mm)PE薄膜微塑料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=1%)能提高土壤水分的蒸發(fā)速率,但添加2 mm粒徑PE薄膜對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響更為嚴(yán)重。

土壤中微塑料會(huì)改變土壤pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量等化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分有效性,但不同類型和濃度微塑料對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響存在顯著差異[37]。有研究表明,向土壤中添加高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)微塑料(w=0.1%)會(huì)顯著降低土壤pH值,而相同濃度聚乳酸(polylactic acid, PLA)微塑料的添加則對(duì)土壤pH值無顯著影響[38]。另外,有研究指出,向土壤中添加w=1% PE和PP微塑料均可顯著降低土壤中有效磷含量[39]。與添加w=7% PP微塑料的土壤相比,添加w=28% PP微塑料促進(jìn)了土壤可溶性有機(jī)物中高相對(duì)分子質(zhì)量腐殖質(zhì)類物質(zhì)積累[14]。有關(guān)微塑料對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)以及土壤養(yǎng)分有效性影響的臨界濃度與具體作用機(jī)制尚缺乏深入研究。

1.2 微塑料對(duì)污染物相互作用的影響

由于塑料在加工過程中常添加增塑劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑和阻燃劑等添加劑以提高塑料產(chǎn)品的性能、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。當(dāng)塑料進(jìn)入土壤環(huán)境后,在物理摩擦、化學(xué)與生物轉(zhuǎn)化等共同作用下發(fā)生老化與降解,在形成微塑料的同時(shí),還可將聚合物成分中的多種添加劑釋放到土壤中,造成土壤環(huán)境污染[40]。ZHANG等[41]發(fā)現(xiàn),風(fēng)化后的環(huán)境微塑料表面普遍存在酞酸酯類增塑劑和有機(jī)磷酸酯類阻燃劑等污染物;與PE顆粒相比,PP薄片和聚苯乙烯(polystyrene, PS)泡沫具有更高濃度的添加劑。另一方面,土壤中的微塑料因具有比表面積大、吸附位點(diǎn)多和疏水性強(qiáng)等特性,極易吸附土壤中的重金屬、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥、抗生素和抗生素抗性基因(antibiotics resistance genes, ARGs)等多種污染物。SU等[42]研究發(fā)現(xiàn)PE和PP促進(jìn)ARGs在垃圾填埋場滲濾液中選擇性富集,微塑料的富集比例最高達(dá)1 000倍。微塑料還可以作為這些污染物的載體,與污染物形成復(fù)合污染并在土壤中進(jìn)行水平或垂直遷移、轉(zhuǎn)化、生物吸收與富集,從而影響土壤環(huán)境質(zhì)量并引起食物鏈安全和人體健康風(fēng)險(xiǎn)[27]。

2 微塑料對(duì)土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響

2.1 微塑料對(duì)土壤微生物生物量的影響

土壤中微塑料污染可引起土壤環(huán)境的變化,進(jìn)而直接或間接地影響微生物生物量,且這一過程受到微塑料的聚合物類型、濃度、形狀以及土壤有機(jī)質(zhì)含量等多種因素的影響[43]。WEI等[44]基于薈萃分析的結(jié)果表明,土壤微塑料顯著抑制土壤動(dòng)物生物量,但卻顯著增加土壤微生物生物量。這可能是因?yàn)槲⑺芰线M(jìn)入土壤后,由于其本身可作為一種碳源被土壤微生物分解和利用,進(jìn)而影響微生物數(shù)量和活性;或是通過富集土壤中有機(jī)物和微生物,強(qiáng)化微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化,進(jìn)而提高微生物生物量。張秀玲等[45]發(fā)現(xiàn),添加低濃度PP微塑料(w=0.25%,以干土重計(jì))顯著增加橘園土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC),而中濃度(w=2%,以干土重計(jì))和高濃度(w=7%,以干土重計(jì))微塑料處理對(duì)土壤MBC含量無顯著影響。鑒于磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)是所有微生物細(xì)胞膜的主要成分,ZANG等[46]采用PLFA分析來量化土壤微生物總生物量,發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)微塑料添加量分別為5%、10%和20%時(shí),PLFA含量分別比對(duì)照土壤增加2.0、1.3和1.6倍;而PE的添加只輕微提高PLFAs含量(17%～45%),且與PE濃度無相關(guān)性。李淑潔等[34]發(fā)現(xiàn),添加PE總體上提高了土壤MBC含量,且粒徑為1 mm的PE對(duì)MBC的提高效應(yīng)高于25 μm的微塑料;此外,微塑料的添加濃度和暴露時(shí)間,以及土壤中有機(jī)質(zhì)水平都會(huì)影響土壤中MBC含量變化。

2.2 微塑料對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響

PE作為最常見的塑料類型被廣泛用于微塑料對(duì)土壤微生物群落影響的研究[8,12-13,47-48]。而其他類型微塑料,特別是可降解微塑料對(duì)土壤微生物群落影響的研究也開始受到關(guān)注[49-52]。除單一微塑料污染土壤外,復(fù)合污染土壤以及植物生長的根際土壤中微塑料對(duì)土壤微生物群落影響的研究也相繼開展[50-53]。微塑料會(huì)對(duì)土壤微生物群落豐度和多樣性產(chǎn)生影響,但受微塑料形狀、粒徑、聚合物類型、添加劑成分及含量,以及土壤理化性質(zhì)等多種因素的影響,不同研究所得出的結(jié)論也不同,甚至互相矛盾,即微塑料對(duì)土壤微生物群落的豐富度和多樣性具有促進(jìn)、抑制和無顯著影響等多種效應(yīng)(表1[8,12-13,47-53])。例如:REN等[47]研究發(fā)現(xiàn),添加w=5%的小粒徑(<13 μm)PE微塑料可顯著促進(jìn)土壤中細(xì)菌和真菌的群落豐富度(chao1)、覆蓋度(ACE)和α多樣性(Shannon指數(shù));而大粒徑(<150 μm)PE微塑料對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響還受到暴露時(shí)間的影響,上述3種指數(shù)在暴露后第3天顯著提高,但在第30天時(shí)再次降低。相反,FENG等[50]比較了PE、PS、聚酰胺(polyamide, PA)、PLA、聚羥基丁酸酯(polyhydroxybutyrate, PHB)和聚丁二酸丁二醇酯(poly butylene succinate, PBS)這6種微塑料對(duì)土壤微生物群落豐度與α多樣性的影響,發(fā)現(xiàn)微塑料總體上降低了細(xì)菌群落的α多樣性(包括Chao1、ACE、Simpson和Shannon指數(shù)),且微塑料類型和劑量對(duì)Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)有交互影響,例如,w=2%的PA導(dǎo)致Chao1和ACE指數(shù)最低,而w=2% PLA導(dǎo)致Shannon和Simpson指數(shù)最低。此外,也有研究者發(fā)現(xiàn),微塑料對(duì)土壤微生物群落豐度與多樣性無顯著影響,HUANG等[13]研究顯示,低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)薄膜碎片的添加對(duì)土壤中細(xì)菌的OTU豐度、均一度和α多樣性(Shannon指數(shù))均無顯著影響。

表1 微塑料對(duì)土壤微生物群落組成與多樣性的影響[8,12-13,47-53]

2.3 微塑料對(duì)土壤微生物群落組成的影響

微塑料作為一種特定的碳源,一方面可以促進(jìn)土壤中某些可以分解利用該類聚合物的微生物種群的生長;另一方面,隨著微塑料的老化與分解,其中的增塑劑、阻燃劑和抗氧化劑等有毒有害添加劑釋放到土壤中,抑制了某些敏感微生物類群的群落豐度,從而改變了土壤微生物的群落組成。因此,目前對(duì)土壤中微塑料污染下的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化特征研究結(jié)果仍存在差異。以PE微塑料為例,費(fèi)禹凡等[8]研究發(fā)現(xiàn),w=1%的PE添加可顯著增加土壤中鞘脂單胞菌目(Sphingomonadales)、黃色單胞菌目(Xanthomonadales)、丙酸桿菌目(Propionibacteriales)、噬幾丁質(zhì)菌目(Chitinophagales)、鞘脂桿菌目(Sphingobacteriales)和黃桿菌目(Flavobacteriales)等細(xì)菌的相對(duì)豐度,而放線菌目(unclassified Actinobacteria)、β-變形菌目(Beta-proteobacteriales)、粘球菌目(Myxococcales)和芽單胞菌目(Gemmatimonadales)等細(xì)菌的相對(duì)豐度則顯著下降。HUANG等[13]研究亦發(fā)現(xiàn),土壤中加入低劑量(0.076 g·kg-1)PE薄膜(2 mm×2 mm)后,放線菌門微生物豐度顯著下降,這可能是由于一些可降解PE的放線菌更容易富集在微塑料表面。而REN等[47]研究則發(fā)現(xiàn),在添加PE微塑料后的土壤中,優(yōu)勢(shì)菌群從變形菌門(Proteobacteria)演變?yōu)榉啪€菌門(Actinobacteria)。此外,添加PE的處理土壤中酸桿菌門(Acidobacteria)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)和擬桿菌門(Bacteroidetes)細(xì)菌豐度均有所下降,且隨著暴露時(shí)間增加,變形菌門、酸桿菌門和擬桿菌門豐度持續(xù)下降。

與細(xì)菌相比,微塑料對(duì)土壤中真菌群落組成影響的研究相對(duì)較少。REN等[47]研究表明,在對(duì)照組(未添加)和添加PE微塑料的所有處理土壤中,子囊菌門(Ascomycota)均為優(yōu)勢(shì)菌群。添加微塑料30 d后,大粒徑(<150 μm)PE處理土壤中子囊菌豐度(82.23%)高于對(duì)照處理(63.29%),而小粒徑(<13 μm)PE處理土壤中子囊菌門和結(jié)菌門(Zygomycota)豐度增加,擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、纖毛菌門(Ciliophora)和羅氏菌門(Rozellomycota)豐度則有所降低。由于病毒的高變異性和內(nèi)在復(fù)雜性,從環(huán)境中分離病毒并研究其多樣性存在較大困難,有關(guān)微塑料對(duì)土壤病毒群落組成影響的研究仍非常有限。蔣娟等[54]利用宏基因組學(xué)技術(shù)研究了農(nóng)村垃圾堆放場周邊受微塑料污染的土壤中噬菌體病毒的群落組成特征,發(fā)現(xiàn)土壤病毒中的長尾噬菌體科(Siphoviridae)和短尾噬菌體科(Podoviridae)豐度較高,表明土壤中噬菌體病毒的聚集受微塑料存在的影響。

當(dāng)前,有關(guān)微塑料對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的研究主要基于對(duì)土壤中細(xì)菌16S rRNA和真菌18S rRNA序列的高通量測(cè)序,而對(duì)微塑料影響下土壤中固氮菌、固碳菌和有機(jī)污染物降解菌等功能菌群的豐度及其與土壤氮循環(huán)、碳循環(huán)和有機(jī)物降解等功能之間的相關(guān)性,仍有待從宏基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)水平進(jìn)行深入研究。

3 微塑料對(duì)土壤微生物群落功能的影響

3.1 微塑料對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤中各種生物化學(xué)過程,如有機(jī)質(zhì)的礦化分解、養(yǎng)分循環(huán)與能量流動(dòng),以及污染物的降解代謝與轉(zhuǎn)化。土壤酶活性大致反映了某一種土壤生態(tài)狀況下生物化學(xué)過程的相對(duì)強(qiáng)度。已有研究表明,微塑料可通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和/或土壤理化性質(zhì),如破壞土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、降低土壤通氣性和透水性、提高土壤水分蒸發(fā)速率等途徑進(jìn)而影響脲酶、磷酸酶、脫氫酶和熒光素二乙酸酯水解酶(FDAse)等多種土壤酶活性。由于土壤性質(zhì)的差異和微塑料聚合物成分、形狀、尺寸,以及添加劑組成和含量的不同,微塑料對(duì)同一土壤酶活性的影響存在很大差異。如:FDAse活性能很好地反映土壤中微生物活性、土壤質(zhì)量的變化以及生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化,可作為評(píng)估土壤質(zhì)量短期變化的有效指標(biāo),并可以代表微生物的總體代謝活性。DE SOUZA MACHADO等[32]研究發(fā)現(xiàn),PA、HDPE和PES可提高土壤中FDAse活性,而聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)、PP和PS對(duì)FDAse活性無顯著效應(yīng)。然而,FEI等[12]研究發(fā)現(xiàn),HDPE和PVC會(huì)抑制土壤中FDAse活性,但可提高酸性土壤中脲酶和酸性磷酸酶活性,表明微塑料在一定程度上加快了土壤中氮素和磷素養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)。AWET等[11]發(fā)現(xiàn)PS納塑料顯著降低堿性土壤中脫氫酶、亮氨酸氨肽酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶等酶的活性。上述不同的研究結(jié)論充分說明,微塑料對(duì)土壤酶活性的作用受微塑料的聚合物成分和尺寸以及土壤理化性質(zhì)(如酸堿度)等多種因素的共同影響。

3.2 微塑料對(duì)土壤碳循環(huán)相關(guān)微生物的影響

微塑料主要由碳元素和其他元素組成,其中,碳元素比例可達(dá)到80%,可為微生物群落生長繁殖提供所需碳源[3]。因此,土壤中微塑料可通過改變土壤有機(jī)質(zhì)含量、改變土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和孔隙度而影響特定土壤微生物類群的生長和活性等方式,調(diào)控土壤固碳潛力、有機(jī)質(zhì)分解和溫室氣體排放等過程,進(jìn)而影響土壤碳循環(huán)。此外,微塑料還可以通過吸收和釋放土壤環(huán)境中其他污染物以及自身成分中的添加劑組分,從而影響參與生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的微生物及其他生物類群。LIU等[14]研究發(fā)現(xiàn),PP(w=7%)的添加抑制了土壤中溶解性有機(jī)質(zhì)的降解;而BARRETO等[55]卻發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組和添加PP微塑料相比,添加PES微塑料加快了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解。這提示微塑料對(duì)土壤碳的固定與分解的影響效果與微塑料聚合物類型、劑量、土壤性質(zhì)以及環(huán)境條件等因素有關(guān)。微塑料不僅能為土壤微生物提供更多的生存空間和碳源,還能影響碳分解相關(guān)功能基因(如編碼纖維素和幾丁質(zhì)降解的酶基因等)的表達(dá),且這一過程可能與微塑料類型有關(guān),如LDPE微塑料對(duì)編碼碳降解相關(guān)功能基因的細(xì)菌相對(duì)豐度有顯著影響,而PES微塑料對(duì)其卻無顯著影響[56]。土壤呼吸是土壤碳循環(huán)的重要過程,土壤呼吸強(qiáng)度與土壤微生物活性密切相關(guān)[57]。NG等[58]的研究表明,高濃度LDPE(w=3%)處理可顯著增強(qiáng)土壤微生物的碳代謝活性,提高土壤呼吸強(qiáng)度(以CO2日通量計(jì)),而低濃度LDPE(w=0.2%)和PET(w=0.2%和0.4%)處理對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度均無顯著影響?？傮w上,微塑料對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響過程復(fù)雜,受到微塑料聚合物成分和濃度的雙重影響,但具體影響機(jī)制尚不清晰。

3.3 微塑料對(duì)土壤氮循環(huán)相關(guān)微生物的影響

氮循環(huán)過程主要包含固氮、硝化、反硝化和厭氧氨氧化過程,微塑料可以通過影響氮循環(huán)相關(guān)微生物的定殖與酶活性、氮循環(huán)相關(guān)功能基因的表達(dá)調(diào)控、吸附污染物與釋放添加劑、誘導(dǎo)活性氧等途徑影響土壤中氮循環(huán)過程[59]。氮循環(huán)中涉及的酶主要包括固氮酶,參與硝化過程的氨單加氧酶、羥胺氧化還原酶和亞硝酸鹽氧化還原酶,以及參與反硝化過程的硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和一氧化二氮還原酶等。研究表明,LDPE微塑料的添加可降低土壤中氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽還原酶豐度,但對(duì)氨氧化古菌豐度,以及亞硝酸鹽還原酶和氧化亞氮還原酶功能基因豐度無顯著影響。QIAN等[15]研究發(fā)現(xiàn),在微塑料殘留的土壤中,生物固氮調(diào)控基因nifH豐度顯著增加,而與反硝化過程相關(guān)的nirK基因豐度顯著降低?？傊?與對(duì)碳循環(huán)的影響類似,微塑料對(duì)氮循環(huán)的影響與其自身特征、聚合物成分以及土壤環(huán)境都密切相關(guān),但具體影響機(jī)制仍有待深入研究。

3.4 微塑料對(duì)污染物降解相關(guān)微生物的影響

微塑料在土壤中積累也會(huì)影響其他污染物降解相關(guān)功能微生物,進(jìn)而影響相關(guān)污染物在土壤中的降解潛力。劉沙沙等[60]發(fā)現(xiàn),芘污染土壤中PVC微塑料(w=0.2%)的添加,增加了土壤中鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)和諾卡氏菌(Nocardioides)等芳烴降解菌的相對(duì)豐度,進(jìn)而加快了土壤中污染物的代謝進(jìn)程。WANG等[61]研究發(fā)現(xiàn),向含有環(huán)丙沙星(10 mg·kg-1)的土壤中添加w=1% PE微塑料共培養(yǎng)35 d后,與未添加微塑料的處理相比,土壤中環(huán)丙沙星降解率顯著降低,這可能與添加微塑料后改變了土壤中放線菌門(Actinobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)相對(duì)豐度有關(guān),進(jìn)而抑制了環(huán)丙沙星的降解。

4 未來研究展望

(1)需進(jìn)一步關(guān)注由不同聚合物類型塑料裂解形成的小粒徑微塑料,特別是亞微米和納米塑料對(duì)真實(shí)環(huán)境條件下土壤理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的長期動(dòng)態(tài)影響。目前,受對(duì)土壤中小粒徑微塑料和納米塑料的分離提取與鑒定方法的限制,有關(guān)微塑料對(duì)土壤性質(zhì)和微生物生態(tài)效應(yīng)的研究大多是以商品化的PS微球和PE薄膜等微塑料作為研究材料,研究方法以實(shí)驗(yàn)室模擬為主,研究周期以短期暴露試驗(yàn)為主。這并不能真實(shí)地反映土壤環(huán)境中微/納塑料的賦存特征與生態(tài)效應(yīng)。未來,在前處理方法和分析鑒定技術(shù)發(fā)展的支撐下,應(yīng)通過室內(nèi)模擬與田間監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式,在更長的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)(如比較完整的年際變化或植物完整生育期的影響),深入考察更多聚合物類型和形狀的微/納塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)影響。

(2)需進(jìn)一步考慮土壤中微塑料的老化與降解過程對(duì)土壤微生物生態(tài)效應(yīng)的影響。當(dāng)前有關(guān)土壤微塑料微生態(tài)效應(yīng)的研究,更多的是利用商品化的表面清潔、光滑的微塑料,或是在單一情景下模擬的老化微塑料。而真實(shí)土壤環(huán)境中的微塑料通常是在物理化學(xué)老化作用和生物降解轉(zhuǎn)化等過程共同作用下形成的表面具有多孔結(jié)構(gòu)、有生物膜和污染物附著的復(fù)合體。微塑料表面的生物膜中不可避免地存在可降解微塑料的降解菌,生物膜和降解菌的存在進(jìn)一步增加了微塑料對(duì)污染物的吸附性能。因此,微塑料-生物膜-污染物三元復(fù)合體對(duì)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的作用機(jī)制尚有待深入研究。

(3)需進(jìn)一步探討微塑料對(duì)土壤微生物與對(duì)植物和土壤動(dòng)物的聯(lián)合生態(tài)效應(yīng)。土壤是一個(gè)復(fù)雜的生命與非生命的復(fù)合體,土壤中的無機(jī)礦物、有機(jī)質(zhì)、微生物、植物根系以及土壤動(dòng)物相互作用并相互影響,共同保障了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與健康。因此,微塑料對(duì)土壤微生物生態(tài)的影響除了與微塑料自身特性、土壤環(huán)境條件有關(guān)以外,還與土壤中的植物類型和活性,以及土壤動(dòng)物區(qū)系的群落結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。未來應(yīng)借助宏基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組學(xué)等高通量組學(xué)技術(shù),創(chuàng)新微塑料的環(huán)境安全性測(cè)試方法,從土壤食物網(wǎng)穩(wěn)定性和食物鏈傳遞風(fēng)險(xiǎn)等方面多層次耦合分析土壤-植物系統(tǒng)中微塑料的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與人體健康風(fēng)險(xiǎn),為微塑料污染風(fēng)險(xiǎn)的源頭控制提供科學(xué)依據(jù)。