综述：农业土壤中的微塑料污染：微生物相互作用、食物链风险及管理策略——特别关注高海拔农业生态系统

《Environmental Research》：Microplastic Pollution in Agricultural Soils: Microbial Interactions, Food-Chain Risks, and Management Strategies with special reference to High-Altitude Agroecosystems

微塑料污染对高海拔农业土壤生态系统的影响及研究需求

　　

Sakshi Dogra | Ayush Lepcha | Sudesh Kumar Yadav | Aparna Maitra Pati

生物技术部门，CSIR-喜马拉雅生物资源技术研究所，喜马偕尔邦，邮政信箱06号，Palampur，176061，印度

摘要

微塑料（MPs）对农业土壤的污染是一个日益严重的全球性问题，然而尽管高海拔农业生态系统在生态上非常敏感且依赖于山地农业系统，但相关研究却相对较少。本文综合了当前关于微塑料来源、行为及其在低温土壤中环境影响的证据，强调了独特的物理化学条件和适应寒冷环境的微生物群如何影响微塑料的沉积、迁移、降解以及与生物体的相互作用。微塑料会持续改变土壤中的微生物多样性、酶活性和养分循环过程，已有大量研究表明微塑料会被植物吸收，这引发了人们的担忧。微塑料还可能作为化学污染物和微生物的载体，从而增加生态风险。尽管已经记录了微生物和昆虫参与的生物降解途径，但其在寒冷山区农业土壤中的效率和环境影响仍不甚明了。通过指出关键的知识空白，包括有限的野外数据、对微塑料与气候相互作用的理解不足以及缺乏监测框架，本文强调了需要采取基于生物学的修复策略、寻找可持续的农业塑料替代品，并制定适应性政策以增强高海拔农业系统的韧性。

引言

塑料已成为现代生活不可或缺的一部分，广泛应用于包装、建筑、医疗保健和农业领域，但其持久性导致了日益严重的全球污染问题。环境中的塑料碎片通过物理、化学和生物降解过程分解成微塑料（MPs；<5毫米）。虽然微塑料的存在最早在20世纪70年代就被注意到，但这一术语直到2004年才被正式提出（Thompson等人，2004年），而实质性研究则在21世纪10年代开始受到关注（Kedzierski等人，2023年）。纳米塑料（尺寸小于1微米的颗粒）是塑料进一步破碎后形成的更细小的部分。微塑料研究最初主要集中在海洋环境中，但近年来逐渐转向陆地生态系统，尤其是在农业塑料使用广泛的地区（Lwanga等人，2022年；Hoang等人，2024年）。在土壤中，微塑料来源于初级来源（如微珠和颗粒），以及较大塑料在紫外线照射、耕作和微生物活动下的二次破碎（Horton & Dixon，2018年）。由于大量使用地膜、温室覆盖物、滴灌管、青贮包膜、聚合物包覆的肥料、种子涂层和农药制剂，农业系统特别容易受到微塑料的影响（Tian等人，2022年；Campanale等人，2022年）。有机改良剂（如堆肥和污泥）也会引入微塑料（Tian等人，2022年；Yang等人，2021年），而大气沉降、轮胎磨损和回收不完全也会增加微塑料的负荷（Ren等人，2024年）。尽管这些途径在全球范围内都有详细记录，但它们对山区农业生态系统的影响在现有文献中仍不够充分。包括喜马拉雅山脉、安第斯山脉和青藏高原在内的高海拔地区越来越多地报告微塑料污染现象（Tsering等人，2021年；Zhang等人，2021年；Cabrera等人，2022年），但大多数证据来自湖泊、河流、积雪和偏远的冰冻圈系统，而非农业土壤。表1总结了高海拔地区微塑料污染的关键研究。广泛用于陡坡上的塑料地膜可以防止侵蚀、保持水分并缓冲低温，但由于难以清除且在高温下加速破碎，成为这些地区土壤中微塑料的主要来源（Feng等人，2023年）。其他来源包括农业投入物和将微塑料带入土壤的途径，详见图1。大气输入进一步加剧了这一问题。微塑料已在偏远和极地地区被检测到（Lusher等人，2014年），降雪、强风和季节性风暴是将其输送到高海拔流域的有效媒介（Allen等人，2019年）。人类活动（如旅游和登山）也会释放微纤维，例如在珠穆朗玛峰上也有发现（Napper等人，2020年），且其数量随游客流量的变化而变化（Padha等人，2022年）。然而，尽管有越来越多的证据表明微塑料的存在，但在耕作的山区土壤中进行系统的野外研究仍然有限，因此在了解其来源、积累模式和在寒冷气候条件下的生态影响方面存在重大知识空白。山区农业生态系统与低地系统有根本不同，表现为土壤较浅、径流强烈、紫外线辐射强烈以及低温，这些因素减缓了生物降解并改变了微塑料与微生物的相互作用。了解高海拔农业土壤中微塑料的动态对于制定针对性的缓解策略和防止长期影响土壤健康和作物生产力至关重要。本文综合了当前关于微塑料如何影响土壤微生物功能、养分动态和土壤生态相互作用的知识，强调了高海拔农业土壤对微塑料积累和寒冷环境压力的更大敏感性。通过关注这些研究不足的系统，本文指出了关键的研究重点，并鼓励为山地景观的独特条件制定缓解策略。

部分摘录

对土壤团聚、养分循环和水分保持的影响

土壤是一个动态的、自我组织的系统，其中物理、化学和生物参数相互作用以维持生态功能。评估这些参数对于诊断土壤健康至关重要（Targulian & Krasilnikov，2007），而这又是生态系统韧性、经济稳定性和人类福祉的基础（Bünemann等人，2018）。然而，作为一种新兴污染物，微塑料对土壤完整性的威胁日益增加（Chia等人，2022）。微塑料改变了土壤的物理结构...

微塑料与环境污染物的协同作用及其在农业土壤中的抗性传播

微塑料不仅被视为新兴污染物，还被认为是在土壤环境中携带多种污染物和微生物群落的动态载体。它们的持久性，加上独特的物理化学特性（如小颗粒尺寸、疏水表面和高表面积与体积比），增强了它们吸附农药、抗生素和重金属的能力。此外，微塑料为微生物在土壤中的定殖提供了新的生态位...

从土壤到餐桌：农业食物链中的微塑料

尽管估计表明农业土壤中的微塑料浓度可能比海洋环境高出4-23倍（Xu等人，2020年），但在环境研究中，微塑料在陆地生态系统中的研究一直不足。农业土壤既是微塑料的储存库，也是其进入食物链的通道...

土壤中的生物相互作用促进微塑料的降解和转化

在缓解微塑料环境影响的策略中，生物降解是最环保且最符合土壤特性的方法，尤其是在可持续性至关重要的农业生态系统中（Thakur等人，2022）。当细菌、真菌或其他生物体在微塑料表面定殖并分泌胞外酶时，会将其转化为低分子量化合物，这些化合物可以进一步矿化为CO₂和H₂O（Kotova等人，2021）...

变化环境中的气候-微塑料相互作用

气候变化对微塑料污染产生了重要影响，直接和间接的反馈机制影响着微塑料的命运、持久性和生态影响。最近的研究表明，微塑料通过抑制土壤冷却、改变氧化还原条件以及产生CO₂和N₂O等气体，可能增加温室气体排放，其中CO₂排放量最多可增加92%，N₂O通量也会增加，而CH₄的影响尚不确定。在厌氧土壤中，微塑料的分解过程可能会进一步...

知识空白和研究前沿

关于农业系统中的微塑料研究主要集中在低地和城郊地区，而高海拔农业生态系统尽管具有生态脆弱性，却严重缺乏研究。这些脆弱的地形特征（如气候变异性、独特的微生物群落和敏感的土壤）可能导致微塑料的沉积、降解和生物相互作用模式有所不同。青藏高原的研究表明，随着海拔升高，微塑料的丰度会下降...

结论

农业土壤中的微塑料污染对生态系统功能构成了新的威胁，尤其是高海拔农业生态系统，因为其土壤脆弱、气候极端且废物管理能力有限。本文综合了现有证据，表明微塑料会改变土壤的物理化学结构、破坏微生物网络并影响养分循环酶，寒冷气候会进一步延长微塑料的持久性。尽管有植物吸收的研究...

CRediT作者贡献声明

Sakshi Dogra：撰写初稿、调查、数据分析、概念化。 Ayush Lepcha：撰写初稿、调查、数据分析。 Sudesh Kumar Yadav：验证、监督、概念化。 Aparna Maitra Pati：审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念化。

未引用的参考文献

Andrady等人，2022年；Bahrani等人，2024年；Baker-Austin等人，2006年；Cao等人，2021年；欧洲化学品管理局，2019年；Hasman和Aarestrup，2005年；Hernandez等人，2019年；Huang等人，2020年；Kamalesh等人，2023年；Khan和Sikder，2024年；Li等人，2020年；Li等人，2021年；Li等人，2024年；Li等人，2021年；Li等人，2021年；Li等人，2020年；Liu等人，2022年；Lu等人，2020年；Lusher等人，2015年；Martínez Silva和Nanny，2020年；Mitrano和Wohlleben，2020年；Pa?o等人，2017年；Pettipas等人，2016年

利益冲突

作者们没有需要披露的相关财务或非财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢CSIR-Waste to Wealth项目（HCP-0054）的资助。AL感谢印度高等教育委员会（UGC）提供的“研究奖学金”（参考编号：200510046070/ UGC-NET）。本手稿代表CSIR-IHBT的通信编号6012。