传统的低密度聚乙烯微塑料对玉米-土壤-细菌系统产生的不良影响比聚乳酸微塑料更为严重

《Journal of Environmental Management》：Conventional low-density polyethylene microplastic induce stronger adverse effects on maize–soil–bacteria system than polylactic acid microplastic

微塑料降解影响玉米生长及土壤微生物群落，PLA与LDPE效应差异显著，糯玉米抗性更强。

　　

王一秀|程红艳|杨朝东|吕永辉|王毅|李远楠|张海波|刘娜

山西农业大学资源与环境学院，太原，030801，中国

摘要

地膜残留物是农业土壤中微塑料（MPs）的最直接来源。本研究探讨了传统低密度聚乙烯（LDPE）和可生物降解聚乳酸（PLA）地膜中的微塑料对玉米-土壤-细菌群落系统（包括普通玉米和糯玉米）的影响，以及微塑料在玉米根部的积累情况。在普通玉米中，PLA微塑料存在于维管组织（木质部/韧皮部），而在糯玉米中仅存在于皮层；LDPE微塑料则特异性地进入韧皮部。低浓度的PLA微塑料（0.1%和1%）促进了玉米的生长和叶绿素的合成，而LDPE微塑料则持续抑制了玉米的生长。PLA微塑料增加了土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）以及酶活性，而LDPE微塑料则降低了TN和过氧化氢酶活性。低浓度的PLA微塑料增加了细菌多样性并改变了细菌群落组成和代谢途径，而LDPE微塑料则表现出抑制作用。PLA微塑料在低浓度下刺激了细菌多样性，在高浓度下则产生了抑制效果；LDPE微塑料始终表现出抑制作用。高浓度的LDPE微塑料显著减少了绿弯菌门（Chloroflexi）、变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Deinococcota）的丰度，同时增加了厚壁菌门（Firmicutes）的丰度。低浓度的LDPE微塑料影响了碳代谢和糖酵解/糖异生过程（分别减少了3.80%和7.23%）。糯玉米比普通玉米表现出更强的抗性。结构方程模型显示，微塑料的类型和浓度直接改变了土壤性质（-0.37，P<0.05）和细菌群落（0.65，P<0.001），并间接抑制了玉米的生长。我们的研究结果表明，微塑料的潜在危害不能一概而论，强调了需要关注不同作物品种之间的差异。

引言

微塑料（MPs）是指粒径小于5毫米的塑料颗粒或碎片（Li等人，2020年；Yuan等人，2020年），已在水、土壤等环境中被检测到（Shao等人，2021年；Niu等人，2022年；Qiu等人，2022年）。最近关于微塑料污染影响的研究主要集中在水生环境中；实际上，大约80%的水生生态系统中的微塑料来自陆地生态系统，通过地表径流等途径进入水体（Andrady，2011年；Jambeck等人，2015年）。据估计，陆地生态系统接收的微塑料量是水生生态系统的4-23倍（Horton等人，2017年；Helmberger等人，2020年）。农田中的微塑料含量在1.5×10^6至6×10^6吨之间，在一些高度污染的地区，微塑料占比达到土壤重量的7%（de Souza等人，2018年；Rillig等人，2021年；Kedzierski等人，2023年）。农业活动，如污泥和污水施用、废水灌溉以及有机肥料施用，是微塑料的来源（Zhang等人，2021年），而地膜残留物是农田中微塑料的直接来源（Xu等人，2022年）。

地膜可以调节土壤微气候，控制杂草和害虫，有助于满足不同作物的需求（Foley等人，2011年）。中国是全球最大的地膜消费国，自1978年引入地膜以来，其使用量显著增加（Liu等人，2023年）。预测显示，到2025年，中国的年农业塑料地膜消耗量将达到2.28×10^6吨，覆盖约2.34×10^7公顷的农田——约占全国耕地总面积的18%（Yan等人，2019年）。基于聚乙烯的农业薄膜在中国市场上占主导地位，是农田塑料污染的主要来源。这些聚烯烃材料由于其高分子量、稳定的C-C单键、明显的疏水性以及非晶态晶体结构，具有显著的环境持久性，导致长期积累，成为“白色污染”，严重损害了土壤质量和农业可持续性（Tilman等人，2011年；Auta等人，2018年；Ding等人，2022年）。为了解决传统聚乙烯地膜带来的环境问题，出现了可生物降解的地膜，如聚乳酸（PLA）和聚丁酸对苯二甲酸酯（PBAT），这些地膜正逐步替代传统地膜在农业中的使用。根据IMARC（2024年）的数据，2024年全球可生物降解地膜市场价值为6140万美元，预计到2033年将增长至1.199亿美元，2025年至2033年的复合年增长率为7.33%。理论上，可生物降解地膜可以分解为水和二氧化碳，实现材料循环利用，符合循环经济的概念（Bandopadhyay等人，2018年；Ya等人，2022年）。然而，在实际应用中，完全降解需要特定的环境条件，这些条件在自然农业环境中很少满足。这一限制主要源于两个因素：首先，自然土壤中特定的降解微生物通常较少；其次，降解效率取决于聚合物的化学结构和多变的环境因素（如温度、湿度、pH值、氧气和可利用的营养物质）。例如，PLA在高温高湿度的堆肥条件下会迅速降解（Tuominen等人，2002年），但在温度较低、湿度较低的环境中（如土壤或污泥中）则相对稳定。传统微塑料与可生物降解微塑料的相对生态影响仍不清楚，迫切需要开展比较研究以确定哪种聚合物类别对生态系统功能的风险更大。

关于微塑料对植物生长和土壤微环境的影响仍存在争议。最近的研究表明，微塑料会引发多种植物毒性效应，包括根部木质化、细胞死亡、氧化应激、叶绿素降解以及光系统II电子传输的紊乱（de Souza等人，2019年；Gong等人，2021年；Xu等人，2022年）。这些生理紊乱会破坏矿物质营养的平衡，抑制植物生长和生物量积累。此外，微塑料还会干扰水分和养分的吸收，从而影响酶活性、微生物群落的多样性和结构以及土壤性质（Wan等人，2019年）。相反，一些研究也报告了微塑料的有益效果，如降低土壤容重、增加孔隙度以及促进根系伸长，这可能有助于植物生长（Jiang等人，2017年）。微塑料还可以通过提供额外的附着位点来增强微生物活性，改变微生物群落结构，并增加有益微生物的丰度（Janczak等人，2018年）。它们还可以通过吸附和减缓养分释放来减少养分损失，并促进土壤有机碳（SOC）的分解和循环（Seeley等人，2015年；Cluzard等人，2015年；Green等人，2017年；Hu等人，2019年）。因此，微塑料对植物和土壤微环境的影响不能一概而论，应考虑微塑料的类型、浓度和植物品种等因素。

玉米是全球约25%人口的基本食物作物（Shemi等人，2021年）。从2019年到2024年，玉米总产量从2.6×10^8吨增加到2.9×10^8吨。预测显示，到2025年这一数字将超过3.0×10^8吨（Erenstein等人，2022年）。在此背景下，糯玉米的种植面积约占50%（Wang等人，2025年）。普通玉米和糯玉米之间的主要区别在于淀粉的生物合成方式，这主要由wx基因控制。糯玉米几乎完全含有支链淀粉（>98%），而普通玉米含有70-75%的支链淀粉。这一核心生化差异与更广泛的生理和代谢途径密切相关，包括碳分配、糖信号传导和细胞壁组成。这些内在差异可能导致它们对环境压力的不同响应。地膜在玉米种植中的广泛使用引入了显著的微塑料污染风险。在本研究中，我们通过盆栽实验系统评估了可生物降解的PLA微塑料和传统的LDPE微塑料对玉米生长、土壤性质和细菌群落的差异影响，并进行了水培实验以研究不同玉米品种对微塑料的吸附和吸收情况。本研究的假设如下：（1）LDPE微塑料对玉米生长、土壤性质和细菌群落的影响不同于PLA微塑料，且LDPE微塑料的影响更为显著；（2）微塑料对普通玉米的影响大于糯玉米；（3）玉米品种、微塑料类型和微塑料浓度之间存在相互作用；（4）微塑料在玉米根部的积累模式不同。

实验材料

制备了红色荧光标记（尼罗蓝染料）的PLA和LDPE微球（直径0.1微米；激发/发射波长：632/680纳米），以便使用高亮度荧光技术追踪它们的吸收情况。由于LDPE材料的特性，无法直接制备出微球；因此使用了由北京C&T科技有限公司（中国北京）定制和合成的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）模板制成的中空微球。

玉米根系对塑料微球的吸附和吸收

对玉米根组织的自发荧光分析显示，在405、488和552纳米的激发波长下有背景信号，而在638纳米处检测到极少的荧光。因此，选择了激发/发射波长为632/680纳米的红色荧光微球，以最小化自发荧光的干扰，从而有效追踪PLA和LDPE微球在幼苗根部的积累情况。

在暴露于含有红色荧光标记PLA的营养溶液中后...

玉米根系对微塑料的吸附和吸收

在普通玉米和糯玉米的一些根系上观察到的深绿色痕迹可能是被根部分泌物捕获并吸附在根表面的塑料微球，这与Li等人的研究结果一致，他们报告了荧光聚苯乙烯微球在小麦和生菜根部的吸附情况（Li等人，2019年，2020年）。PLA微球进入了根的外皮层、内皮层、韧皮部甚至木质部，而LDPE微球则存在于根的外皮层、内皮层、中果皮和韧皮部。

结论

本研究揭示了微塑料对玉米-土壤-细菌群落的影响受到三个关键因素的复杂调控：聚合物化学性质、玉米品种和暴露浓度。在玉米根部观察到PLA和LDPE微球的不同吸收途径，这一过程进一步受到遗传背景的影响——普通玉米允许PLA在更广泛的维管系统中传输，而糯玉米则限制了这一过程。糯玉米的敏感性略低于普通玉米。

作者贡献声明

王一秀：撰写——初稿、正式分析、概念构思。程红艳：撰写——审阅与编辑、资源准备。杨朝东：验证、方法学、实验设计。吕永辉：验证、方法学、实验设计。王毅：验证、方法学、实验设计。李远楠：验证、方法学、实验设计。张海波：撰写——审阅与编辑、资源准备。刘娜：撰写——审阅与编辑、实验设计、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了山西农业大学的青年科学与技术领导计划[项目编号2022YQPYGC07]、中国山西奖学金委员会[项目编号2021-069]、山西省重大科学技术项目[项目编号202301140601015]以及山西省优秀博士奖基金[项目编号SXBYKY2021038]的支持。我们感谢LetPub（www.letpub.com.cn）在本文撰写过程中提供的语言帮助。