PBAT可生物降解微塑料通过调控氨基糖分解影响土壤有机质稳定性的机制研究

《Cambridge Prisms: Plastics》：Poly(butylene adipate-co-terephthalate) biodegradable microplastics accelerated the decomposition of amino sugar in soil

本研究针对可生物降解微塑料（PBAT BMPs）对土壤氮循环关键组分——氨基糖N-乙酰葡糖胺（NAG）分解的影响展开探索。通过宏基因组学技术，发现PBAT微塑料在两种不同氮有效性土壤中均加速NAG分解，并揭示其通过富集兼具PBAT与NAG降解能力的微生物（如Bradyrhizobium等），驱动土壤微生物残体周转的机制。该研究为评估可生物降解塑料对土壤碳氮循环的生态风险提供了理论依据。

　　

随着全球塑料产量的持续增长，塑料破碎产生的微塑料污染已成为严峻的环境问题。微塑料（MPs）指直径≤5毫米的塑料颗粒，它们通过大气沉降、农膜使用、有机肥施用等途径进入土壤环境，改变土壤理化性质、重塑微生物群落并干扰养分循环，对土壤健康及有机碳稳定性构成潜在威胁。可生物降解塑料作为传统塑料的替代品，其使用量逐年上升，但近年研究发现其不完全降解同样会导致微塑料在环境中积累。由于可生物降解微塑料（BMPs）具有更高的降解性，其在特定时间内对土壤生态系统的影响可能比传统微塑料更为显著。

土壤有机质（SOM）是陆地生态系统中最大的碳库，对维持土壤肥力、促进微生物活动和缓解气候变化具有关键作用。BMPs含有大量易降解碳，其输入可能干扰SOM的矿化过程，导致温室气体排放增加。尽管已有研究报道BMPs对SOM分解存在"正激发效应"，但多数研究集中于SOM整体含量变化，对特定组分（尤其是含氮组分）的响应机制尚不明确。氨基糖作为微生物残体的重要组成部分，是土壤中关键的含氮有机物，其中N-乙酰葡糖胺（NAG）作为几丁质和微生物细胞壁的结构单元，是最常见的氨基糖。因此，探究BMPs对NAG降解的影响，可为理解含氮SOM组分对BMPs输入的响应提供重要线索。

本研究以农业中广泛使用的可生物降解聚合物聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）为对象，通过结合NAG含量测定和宏基因组测序技术，探究PBAT微塑料在两种不同氮有效性土壤（南京土壤和鹰潭土壤）中对NAG分解过程的影响，并识别参与NAG和PBAT降解的微生物类群及其关联性。

关键技术方法

研究选用南京（NJ）和鹰潭（YT）两种农业土壤，其pH值相近但有效氮含量差异显著。PBAT微塑料（20-80 μm）以0%、0.2%、0.5%和1%（w/w）浓度添加至土壤中，并引入0.2%的NAG溶液。通过3,5-二硝基水杨酸（DNS）法测定土壤NAG含量，采用氯仿熏蒸-K₂SO₄法测定微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）。利用宏基因组测序（Illumina NovaSeq X Plus平台）分析微生物群落结构和功能基因，通过DIAMOND软件比对PBAT水解酶数据库和KEGG数据库注释降解基因。

3.1 PBAT微塑料对NAG分解的影响

研究发现，PBAT处理显著加速了两种土壤中NAG的分解。在NAG添加24小时后，0.5% PBAT使土壤NAG残留量降低约50%，且南京土壤中NAG降解呈现浓度依赖性效应。通过对比聚乙烯（PE）微塑料的影响，证实PBAT对NAG分解的促进作用主要源于其生物降解过程而非物理效应。

3.2 PBAT微塑料对土壤微生物生物量的影响

在低氮的鹰潭土壤中，PBAT显著提高了NAG添加后的MBC和MBN含量，表明微生物将降解的NAG优先用于生物量合成；而在高氮的南京土壤中，PBAT对微生物生物量无显著影响，说明多余的NAG可能进入糖酵解途径产能而非用于细胞合成。

3.3 微生物群落与功能基因响应

宏基因组分析显示，PBAT富集了Bradyrhizobium、Noviherbaspirillum和Ramlibacter等潜在PBAT降解菌，其中三属同时具备NAG降解能力。在鹰潭土壤中，PBAT上调了amgK、glmS和glmM等基因，促进NAG向微生物生物量转化；在南京土壤中，PBAT上调NAGK基因但下调几丁质合成酶基因（CHS1），表明NAG代谢偏向能量产生。

4.1 PBAT微塑料对NAG分解与转化的调控机制

研究表明，PBAT通过"氮挖掘"机制促进含氮有机物的分解：在低氮条件下，微生物为满足生长需求，加速降解NAG以获取氮源；在高氮条件下，NAG分解产物主要用于产能。土壤氮有效性通过调控微生物代谢途径，影响BMPs对SOM周转的效应。

4.2 PBAT降解菌与NAG降解菌的关联

PBAT降解菌（如Bradyrhizobium）同时具备NAG降解能力，表明BMPs作为碳源输入选择了能够从含氮有机物中获取氮的微生物类群。这种代谢耦合直接驱动了土壤氨基糖周转的加速，为理解BMPs影响SOM稳定性的微生物机制提供了新视角。

结论与展望

本研究首次揭示PBAT微塑料通过富集兼具PBAT与NAG降解能力的微生物，加速土壤氨基糖周转，且氮有效性调控这一过程的代谢方向。研究结果强调可生物降解塑料可能通过促进微生物残体分解影响土壤碳库稳定性，尤其需关注低氮土壤中的生态风险。未来需结合¹³C/¹⁵N标记技术追踪碳氮流向，并在田间尺度验证BMPs的长期效应，为可生物降解塑料的环境风险评估提供科学依据。