《Epigenetics Insights》：Effects of microplastic on soil ecosystems: a perspective from functional genes
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这篇综述系统阐述了微塑料（MPs）如何通过改变土壤物理化学性质和微生物生境，重塑微生物功能基因（尤其是碳、氮循环基因和抗生素抗性基因（ARGs））的多样性与表达，进而深刻影响土壤生物地球化学过程与生态系统功能。abfA, sga, manB) and methane emission (mcrA), collectively influencing carbon turnover and methane release. In the nitrogen cycle, the carbon input disrupts the soil C:N balance (1), while MP surfaces adsorb ammonium ions (2). These processes jointly alter nitrogen availability and regulate the expression of genes associated with nitrogen fixation (nifH), nitrification (amoA), and denitrification (nirS, nirK, nosZ). Furthermore, MPs selectively shape microbial communities by adsorbing heavy metals and organic pollutants (3), and mediate electron transfer and redox reactions (4). Together, these mechanisms reshape microbial metabolic activity and the expression of genes related to carbon and nitrogen transformations.">文章还特别指出了塑料圈（plastisphere）和土壤动物肠道微生物组作为功能基因富集与水平基因转移（HGT）的热点区域，并探讨了全球变化（如升温、干旱）与MPs的交互影响。
引言
塑料污染已成为人类世最紧迫的环境挑战之一。据估计，到2050年全球将累积约12000兆吨塑料垃圾，土壤和沉积物是这些持久性物质的主要长期储存库。塑料破碎后会产生尺寸小于5毫米的微塑料（MPs），在陆地生态系统中广泛存在。农业地膜覆盖、施用污水污泥和堆肥、再生水灌溉以及大气沉降是MPs进入土壤的主要途径。MPs可通过食物链被摄入，并作为其他污染物的载体在食物网中转移，构成日益增长的生态毒理学风险。越来越多的证据表明，MPs通过改变土壤微生物群落及相关功能基因来影响土壤生态系统功能。
微塑料对碳、氮功能基因的影响
MPs通过外源碳输入、表面介导的相互作用以及对微生物群落的选择性塑造等多条相互关联的途径，深刻而复杂地影响土壤碳氮循环。这些改变共同重塑了土壤碳氮转化过程及相关功能基因的表达（如文内图1所示）。
在碳循环方面，MPs可改变土壤溶解性有机碳（DOC）含量。一方面，MPs表面可吸附DOC及其他土壤代谢物形成生态电晕，降低吸附态DOC的生物可利用性；另一方面，MPs可通过添加剂和聚合物降解产物的浸出成为易分解DOC的来源，直接刺激微生物活性。这些过程共同影响土壤碳循环。MPs还可加速土壤有机质（SOM）矿化，刺激土壤呼吸，导致CO2排放增加。例如，5%（w/w）的聚乙烯（PE） MPs可使CO2排放显著增加24%–28.67%。一项全球荟萃分析进一步证实，MPs暴露显著增加了控制土壤碳分解的功能基因（如abfA、manB、sga）丰度，从而加速土壤有机碳矿化，导致土壤CO2排放量平均大幅增加54.3%。除了促进CO2排放，MPs也能深刻影响强效温室气体甲烷（CH4）的动态。例如，聚乳酸（PLA） MPs老化后，在稻田土壤中可充当电子穿梭体，将电子分流至硝酸盐和铁还原而非产甲烷过程，从而抑制产甲烷作用，降低CH4通量。
MPs引发的碳循环改变会进一步通过影响微生物能量供应和碳氮化学计量平衡来调节氮转化速率与途径。MPs本身富含碳，可作为外源碳源重塑土壤碳和能量动态。微塑料污染通过增加土壤有机碳和DOC来改变碳循环，进而通过增强微生物生物量碳和氮来调节微生物能量动态。此过程调节了碳氮比（例如，在可生物降解MPs下铵态氮减少19%），并通过增加nirK基因丰度和氧化亚氮排放最终影响氮转化速率。此外，MPs还能通过物理吸附土壤溶液中的铵离子（NH4+）等方式直接改变氮的有效性。
在氮循环过程中，MPs干扰了包括固氮、硝化和反硝化在内的关键过程。生物固氮对不同聚合物类型和浓度的响应各异。低浓度聚氯乙烯（PVC）或低密度聚乙烯（LDPE）可能增加nifH基因丰度和固氮菌，而较高浓度则常抑制这些类群。一项长期田间研究发现，十多年的残膜暴露增加了固氮（nifH）、亚硝酸盐还原酶（nirS）和N2O还原酶（nosZ）基因的丰度，但降低了亚硝酸盐还原酶（nirK）基因的丰度，表明了氮转化潜力的转变。硝化过程对MP污染表现出不同的敏感性，氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）对不同聚合物表现出不同的响应。例如，7%（w/w）的LDPE增加了AOB-amoA基因丰度，而PVC-MPs则降低了该基因丰度。MPs可改变反硝化功能基因的丰度和组成，从而影响反硝化过程和N2O的产生。例如，暴露于聚乙烯和聚乳酸MPs会显著增加关键反硝化基因nirS、nirK和nosZ的相对丰度。一项荟萃分析证实，MPs使反硝化速率增加17.8%，N2O排放量显著提高140.6%，同时减少了土壤有效氮库。
微塑料对抗生素抗性基因的影响
农业土壤中ARGs与MPs的共存日益常见，这主要源于有机肥和污水污泥的施用。土壤生态系统因此成为ARGs和MPs的重要储存库。MPs通过改变土壤生物物理性质和微生物群落，重塑土壤抗性组并提高ARGs丰度。长期地膜污染已被证明能显著提高中国农田的ARGs水平，其中覆盖历史最长的新疆地区丰度最高。值得注意的是，近期研究发现，与对照和传统MPs处理相比，可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）颗粒显著增加了土壤中ARGs的丰度，这归因于其拓宽了细菌宿主（即作为宿主的变形菌门的相对丰度从对照土壤的38.5%增至58.2%）。
除了直接影响，MPs还作为重金属、抗生素和农药等共污染物的载体，产生复杂的共选择压力，进一步促进ARGs增殖。例如，聚乙烯增加了生物可利用的四环素和铜，在粪肥土壤中这些污染物的共选择下加剧了ARGs的富集。
MPs进入土壤后迅速被微生物定殖，形成生物膜，即“塑料圈”，其理化性质和微生物群落结构与周围土壤基质显著不同。这使得塑料圈成为微生物定殖和代谢活动的“热点”。宏基因组分析表明，塑料圈比周围大块土壤更选择性富集ARGs，富集模式因聚合物类型和土壤特性而异。例如，低密度LDPE、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）的塑料圈中，赋予对氟喹诺酮类、多药外排泵、利福霉素类和四环素类抗性的基因丰度增加了三倍。特定的细菌类群，如聚乙烯对苯二甲酸酯和聚羟基脂肪酸酯颗粒生物膜中鉴定出的假单胞菌属，是糖肽类和多重耐药决定簇的主要携带者；而在聚乙烯对苯二甲酸酯表面，脱硫弧菌属则是大环内酯-林可酰胺-链阳霉素（MLS）抗性基因的主要宿主。
与此同时，毒力因子基因（VFGs）在塑料圈内表现出协同富集模式，带来了额外的生态风险。与PE-MPs相比，PBAT/PLA-MPs显示出更高的攻击性VFGs丰度，以及ARGs和VFGs在共享微生物宿主内的共定位。这种双重富集表明，MPs能同时增强抗性传播和病原体毒力潜能，从而放大其对土壤健康和高营养级生物的生态风险。
总之，越来越多的证据表明，MPs污染通过几种关键机制促进ARGs的发展、传播和扩散（如文内图2所示），包括诱导细菌膜通透性增加、激活细胞应激反应、促进生物膜形成和接合事件，以及选择性富集携带ARGs的细菌宿主。
土壤动物肠道微生物组：影响的热点区域
土壤动物在陆地生态系统中占据重要地位，参与了大多数地下生态过程。土壤动物肠道通常定殖着大量微生物，是生物多样性的重要储存库。研究已证实，在线虫、螨类和蚯蚓等多种动物类群中，其优势肠道细菌类群包括变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门。这些肠道微生物有助于宿主代谢和健康，参与有机质分解、生物多样性维持、碳氮营养循环及污染物降解等过程。
如今，土壤动物肠道中隐藏的功能基因和微生物已有大量报道。例如，一些与N2O排放呈正相关的反硝化基因，如narG、napA、nirS和nosZ，在蠕虫肠道细菌中被广泛观察到。此外，土壤动物对土壤变化敏感，可作为土壤质量，特别是生态评估研究中有价值的生物指标，这一点已被广泛认可。最近，土壤动物的肠道微生物群通常被建议作为生态毒理学研究中的生物监测器。
生活在土壤中的食土动物直接接触土壤污染物。因此，土壤中残留的MPs不仅会导致土壤质量下降，还对土壤动物构成威胁。多项研究已报告了蚯蚓、线虫和蜗牛等多种土壤动物摄入不同MPs，导致其体组织和肠道中积累的具体证据。关键的是，这种摄入直接重塑了肠道内的功能基因库。对肠道微生物组的研究表明，MPs可以作为微生物功能基因的选择性过滤器。例如，在土壤-蚯蚓系统中暴露于PVC微塑料，显著增加了蚯蚓肠道内ARGs的丰度和多样性，特别是赋予氨基糖苷类（aadA）和磺胺类（sul1）抗性的特定基因显著富集。除了微生物组，MPs还直接干扰宿主自身的基因表达。在线虫Caenorhabditis elegans中，摄入聚苯乙烯（PS） MPs强烈上调了氧化应激相关基因（如sod-1、ctl-1、gst-4），同时下调了肠道发育和屏障功能所需的关键基因（如act-5、lin-7），从而将MPs摄入与宿主的基因毒性和肠道结构损伤联系起来。
此外，由于暴露于微/纳米塑料导致的土壤动物肠道微生物群失调最近引起了公众关注。微聚氯乙烯和纳米聚苯乙烯暴露干扰了中型动物（跳虫和Enchytraeus crypticus）肠道内的细菌多样性和组成。同样，含有大量污染物的轮胎磨损颗粒会导致微生物失调，并引起E. crypticus肠道中病原菌属的富集。土壤动物肠道内的功能基因是一个新兴的研究焦点。越来越多的证据表明，MPs可通过改变这些肠道微生物基因的表达来干扰土壤动物的代谢。此外，MPs作为载体，改变了共存污染物对土壤动物肠道功能基因的影响。例如，与单独暴露于杀菌剂吡唑醚菌酯相比，共同暴露于低密度聚乙烯微塑料和该杀菌剂，使土壤和蚯蚓肠道中的抗生素抗性基因相对丰度显著增加，最高达2.15倍。相反，纳米塑料的存在可通过减少砷的生物积累和改变砷生物转化基因谱，减轻砷对蚯蚓肠道微生物群的毒性。
反过来，MPs在土壤生态系统中的归宿也受到土壤动物活动的影响。几项研究清楚地表明，蚯蚓和跳虫有助于MPs的迁移和再分布。鉴于土壤动物处于土壤食物网的关键位置，被土壤动物摄入和积累的MPs可能通过食物链转移到更高的营养级，这在未来的研究中值得特别关注。此外，塑料可以被土壤动物破碎或降解。例如，在黄粉虫肠道中，肠道微生物群，特别是Citrobactersp.和Kosakoniasp.，具有化学降解塑料的能力。由于肠道内特殊的微生物群和功能基因活性，蚯蚓肠道已被报道为微塑料降解的一个被忽视但重要的微环境。最近的研究发现，LDPE塑料在通过蚯蚓肠道后尺寸明显减小，研究人员还从蚯蚓肠道中筛选出一些可以降解MPs的功能性微生物，如Rhodococcus jostii、Mycobacterium vanbaalenii和Streptomyces fulvissimus。
全球变化改变微塑料对功能基因的影响
全球环境变化日益被认为是影响MPs环境归宿和生态效应的重要驱动因素。由于其持久性、流动性和广泛分布，MPs可通过降雨径流和土壤侵蚀等过程在陆地和水生系统间迁移，促进长距离迁移和再分布。气候相关因素，包括降水模式改变、升温和干旱，已被证明可以改变MPs的物理行为及其与生物群的相互作用。例如，一项研究预测，全球温度升高10°C可能与微塑料浓度从约12,500颗粒/立方米增加到约13,400颗粒/立方米有关。
更重要的是，MPs驱动的土壤微生物碳氮循环变化可能在全球变化条件下被进一步重塑。微生物群落对全球变化驱动因素（如升温和干旱）高度敏感。实验性增温已被证明能迅速改变微生物群落结构，并富集参与碳分解和氮循环的功能基因，可能加速包括永久冻土和温带草地在内的多种生态系统中的土壤碳损失。微塑料的存在可能进一步改变和放大全球变化驱动因素对微生物群落的影响。例如，在干旱条件下，MPs通过偏好特定类群和降低细菌多样性来改变微生物群落组成，从而改变与碳降解、甲烷代谢和磷循环相关的基因和酶活性，导致N2O排放增加。MPs主要在高温（30°C）条件下改变参与碳氮循环的微生物功能基因（如amoA、amoC和nirK），而在环境温度下的影响无统计学意义，表明升温条件调节了微塑料驱动的基因组响应。在某些情况下，微塑料甚至可能逆转全球变化对土壤微生物过程影响的方向，这在水分充足条件下的凋落物分解和生态系统多功能性研究中得到了证明。
全球变化影响土壤生态系统的温度、降水和养分有效性，引起微生物群落的潜在变化，通常会提高病原体、抗生素抗性组和水平基因转移的风险。由于全球变暖导致永久冻土融化，许多新的病原微生物或ARGs被观测到。此外，洪水和全球变暖等极端天气事件会将一些污染物（例如金属（类金属）和抗生素）和耐药微生物引入全球环境，这无疑会增加ARGs的富集和传播。值得注意的是，MPs可以成为微生物群的热点和栖息地，这些微生物群在生态系统功能中发挥着重要作用。同时，微塑料作为选择性载体，浓缩特定的ARGs并促进其在环境区域间的传播。这种协同作用最终增加了人类通过食物链潜在暴露的风险。
土壤生态系统同时受到多种全球环境变化因素的影响，但大多数研究只关注一两个因素。因此，多种共现压力源之间的交互效应在很大程度上仍未得到探索。近期关于多重人为压力的研究表明，全球变化因素的组合带来了巨大的不确定性，但驱动了土壤生物多样性和生态系统功能的一致方向性变化。鉴于MPs在陆地环境中的日益普遍及其对各种功能基因的已证实影响，全球变化因素的组合可能会改变MPs对环境功能基因的影响方式。然而，关于土壤生态系统中这些相互作用的信息仍然很少，这限制了我们理解MP-气候相互作用的生态后果。
方法学进展以增进对微塑料影响功能基因的理解
理解MPs如何影响土壤微生物组中功能基因的分布、表达和流动性需要全面且多学科的方法。近期的技术进展显著增强了我们揭示这些机制的能力。三个核心方法学方向正在浮现：
多组学技术的近期进展显著增强了我们对MPs如何影响土壤微生物功能基因的理解。宏基因组和宏转录组测序允许全面分析暴露于MPs的土壤微生物群落的分类结构和功能潜力。KEGG、CAZy和SARG等工具能够对代谢和抗性相关基因进行高分辨率注释，揭示MPs诱导的营养循环途径、异生物质降解能力和抗性组构型的变化。此外，高通量定量PCR（HT-qPCR）和功能基因芯片（如GeoChip）有助于精确定量环境梯度下的功能基因家族。重要的是，微生物碳利用效率（CUE）日益被认为是评估MPs对微生物碳代谢和土壤碳储存影响的关键指标。CUE的变化反映了微生物在生长和呼吸之间分配碳的方式的转变，从而为MPs对土壤碳动态的广泛影响提供了见解。
另一个关键方向涉及追踪塑料圈中的可移动遗传元件（MGEs）和病毒相关功能。这种方法侧重于追踪MGEs和病毒编码的辅助代谢基因（AMGs），它们是MPs影响土壤中水平基因转移的关键媒介。MPs可能作为基因交换的物理热点。诸如VIBRANT、DramV和CheckV等计算工具已被开发用于识别噬菌体基因组、前噬菌体及其编码的AMGs，这些AMGs通常在营养吸收或宿主应激响应中发挥作用。这些功能提供了病毒介导的微生物对MPs诱导应激适应的证据。此外，MobileOG-db和DefenseFinder等工具允许研究人员检测MGEs并对宿主防御系统（包括CRISPR-Cas和限制性修饰系统）进行分类。这些系统不仅调节HGT，还调节微生物免疫，可能影响塑料圈相关群落内ARGs或碳代谢相关功能的传播。
此外，实验和成像技术推进了功能转变的原位验证。这些方法弥合了基因组推断与微塑料污染土壤中实际功能验证之间的差距。共聚焦激光扫描显微镜和扫描电子显微镜（SEM）提供了MPs表面微生物定殖和生物膜形成的直接视觉证据，证实了MPs作为微生物生态位。此外，先进的同位素标记技术，如拉曼-D2O探测和稳定性同位素探针（SIP），允许识别MPs改良土壤中代谢活跃的微生物，从而能够直接关联基因存在与微生物功能。拉曼-D2O探测基于氘掺入识别代谢活跃的微生物细胞，当与稳定性同位素探针、单细胞分选及下游基因组分析相结合时，能够在微塑料改良土壤中将活跃微生物种群与其功能基因库和代谢途径直接联系起来。诸如包含合成微生物群落或限菌系统的土壤微观世界等实验平台正越来越多地用于模拟真实环境条件，包括微塑料暴露下的干旱或营养富集。这些受控系统提供了可重复的环境设置，对于验证从多组学分析得出的预测，以及阐明MPs如何塑造微生物功能性状和生态策略至关重要。
尽管取得了实质性进展，一些方法学挑战依然存在。基于组学的方法在很大程度上推断的是功能潜力，而非确认原位微生物活性，并且在MPs污染土壤中，功能基因丰度与实际生态系统过程之间的联系仍不确定。结合稳定性同位素探针与拉曼激活细胞分选的先进单细胞策略已显示出在单细胞水平上直接连接微生物活性、基因组和代谢途径的强大能力，但其在土壤中的应用受到技术复杂性、通量有限和强烈空间异质性的限制。因此，将高通量群落尺度组学与靶向单细胞验证相结合，仍是增进对微塑料影响土壤功能基因机制理解的关键挑战。
结论与未来研究展望
MPs已成为陆地生态系统中普遍存在的污染物，土壤是其主要的储存库和长期汇集地。通过重塑微生物群落和改变功能基因库，MPs影响了土壤核心生物地球化学过程，包括碳分解、氮转化、污染物解毒和非生物胁迫抗性。现有证据表明，其影响已超越大块土壤，延伸至塑料圈和土壤动物肠道微生物组等特殊生态位，这些区域是功能基因富集、水平基因转移和污染物共选择的热点。这些发现强调，无论是传统还是可生物降解的MPs，不仅改变了微生物生态学，还在相互作用的全球变化压力下介导了更广泛的生态系统功能。
尽管进展迅速，关键的知识缺口依然存在。目前的见解主要来源于短期实验室实验，未能捕捉田间条件、长期暴露以及干旱、升温和重金属污染等多种压力源共存的复杂性。此外，MPs的功能影响仍主要从分类学或宏基因组数据推断而来，缺乏将基因水平变化与生态系统尺度过程联系起来的机制验证。尽管塑料圈相关病毒在加速基因流和微生物适应方面具有潜力，但其生态作用也知之甚少。
未来研究应朝几个方向努力。首先，跨空间尺度的长期、多因素田间研究对于全面理清现实环境情景下的微塑料效应至关重要。其次，必须系统地阐明可生物降解和传统MPs的独特影响。新出现的证据揭示了传统MPs与其可生物降解对应物之间存在根本性的二分法。传统MPs可能破坏土壤团聚体稳定性并重新分配有机碳，而可生物降解的MPs往往能维持团聚体结构并增加各粒级碳含量。这些迥异的结果可能源于不同的微生物和病毒响应。可生物降解MPs倾向于富集富养型类群，并上调糖酵解和氨基酸代谢相关基因；而传统MPs则偏好寡养型群落，并增强复杂碳水化合物代谢基因。关键的是，这些微生物转变可能受到不同的病毒-宿主相互作用强化。施加传统MPs的土壤表现出裂解性病毒比例增加和微生物CUE下降，而施加可生物降解MPs则促进温和性噬菌体、AMGs和稳定的CUE。因此，未来的工作应通过整合田间碳监测与针对微生物功能基因、病毒动态和关键生理参数（如CUE）的机制研究，来明确比较这些MPs类别。第三，推进活跃微生物组方法（如拉曼-D2O探测、宏转录组学）与宏基因组学的结合，将允许更精确地探索MPs改变土壤微生物功能的机制。功能基因谱分析应与同位素示踪和实验验证相结合，直接将其与真实的土壤碳氮通量联系起来，从而能够更定量地归因微塑料对土壤生物地球化学过程的影响。第四，将病毒动力学整合到微塑料研究中，对于阐明病毒作为微生物群落的关键调节者，如何塑造塑料相关环境中功能基因的富集和代谢潜力至关重要。未来的努力必须从局部实验扩展到全球评估，将微塑料-微生物相互作用及其生态后果置于气候变化的更广泛背景中。这些见解对于指导塑料治理、在人类世日益加剧的微塑料压力下维持土壤生物地球化学功能和恢复力至关重要。
