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本研究通过180天土壤培养实验，比较了九种常见塑料（六种可降解塑料及三种传统塑料）的降解行为及其对土壤微生物群落结构、酶活性和碳氮循环功能基因的影响。结果表明，可降解塑料（如PCL、PHA、PBAT、PHB）在重量损失、表面形貌及官能团特征上变化显著，并显著影响土壤酶活性和微生物群落组成，其中PCL、PHA、PBAT和PHB对土壤微生物的影响强于传统塑料。
刘宇涵|北雪|郑传伟|楼红|田慧梅|韩文静|孙文晓|焦松燕|李硕|李冰|朱鲁生|杜仲坤|王金华|王俊
山东农业大学资源与环境学院，山东省高校农业环境重点实验室，中国泰安271018
摘要
可降解塑料作为传统塑料的替代品，受到了越来越多的关注；然而，在一定时期内，它们可能释放出比传统塑料更多的微塑料（MPs）。目前，关于可降解微塑料（BMPs）对土壤微生物群落影响的知识仍然有限。本研究探讨了九种常见BMPs（聚乳酸[PLA]、聚（丁酸-对苯二甲酸共聚物）[PBAT]、聚（丁酸）[PBS]、聚己内酯[PCL]、聚羟基烷酸酯[PHA]和聚羟基丁酸酯[PHB]）以及传统MPs（聚乙烯[PE]、聚丙烯[PP]和聚氯乙烯[PVC]）在土壤中培养180天后对土壤微生物群落结构和功能的影响。培养后，PCL、PHA、PBAT、PBS、PVC、PLA和PHB的表观形态和表面官能团吸收峰强度发生了显著变化。其中，PCL、PHA、PBAT、PVC和PBS的重量分别减少了12.8 ± 6.5%、5.60 ± 4.25%、1.14 ± 0.25%、0.652 ± 0.956%和0.194 ± 0.030%。PLA和PCL对土壤尿素酶、脱氢酶和β-葡萄糖苷酶活性的影响最小。同时，大多数PBAT、PBS、PHA和PHB使这些酶的活性增加了7.01–55.9%，而PE、PP和PVC则没有表现出一致的模式。除了PP、PCL、PBS和PHA外，大多数MPs对土壤细菌群落的丰富度和多样性没有显著影响。PLA、PCL、PBS、PHA和PHB显著改变了多个细菌科的相对丰度，包括黄单胞菌科（Xanthomonadaceae）、微单胞菌科（Microscillaceae）、丛单胞菌科（Comamonadaceae）、鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）、诺卡氏菌科（Nocardioidaceae）、珠状单胞菌科（Gemmatimonadaceae）、Vicinamibacteraceae和SC_I_84。PBAT、PCL和PHB显著增加了大多数土壤碳循环和氮循环相关基因的丰度，而PBS和PHB则表现出相反的趋势；PE、PP和PVC没有明显影响。总体而言，BMPs——特别是PHB、PHA、PBS和PCL——对土壤微生物的影响比CMPs更强。这些发现表明土壤微生物对常见CMPs和BMPs有不同的特异性反应。
引言
微塑料（MPs）被定义为直径小于5毫米的塑料纤维、颗粒和碎片（Guo等人，2020年）。由于其广泛的分布、较小的尺寸、抗降解性和复杂的毒性机制，MPs作为新型且持久的环境污染物引起了全球的关注（Rafa等人，2024年；Wang等人，2021年）。随着人们对海洋和淡水环境中MP污染的关注日益增加，MP对土壤环境的污染也逐渐受到重视（Kumar等人，2020年）。MPs可以通过多种途径进入土壤环境，包括塑料薄膜的风化和破碎、废水灌溉、污泥施用和大气沉降（Y.Z. Li等人，2023年；Tang，2023年）。土壤环境可能比海洋环境含有更多的MPs（Nizzetto等人，2016年）。目前，在包括澳大利亚、瑞士、墨西哥、德国和中国在内的多个国家，已在各种类型的土壤（如农业土壤、工业土壤、城市土壤、郊区土壤、冲积土和家庭花园土壤）中检测到MPs（Wang等人，2021年）。
一旦进入土壤，MPs可以直接或间接影响土壤微生物群落，导致土壤酶活性的多种变化，包括激活、抑制或没有观察到明显效果（F.Y. Wang等人，2024年）。碳循环和氮循环是陆地生态系统中的基本生物地球化学过程。这些循环中的关键过程——如碳封存、碳分解、硝化作用、反硝化作用和固氮作用——由特定的微生物群落及其产生的酶介导。MPs可以改变参与碳和氮循环的微生物群落的结构和活性，从而可能改变碳和氮的转化能力（Ma等人，2024年；W.F. Wang等人，2024年）。此外，MPs在土壤中的存在可以显著改变土壤的物理和化学性质（如容重、团聚体结构、持水能力、pH值、有机质含量和养分有效性），从而间接影响土壤微生物群落、酶活性以及碳和氮循环过程（Ya等人，2021年；P.T. Zhang等人，2023年）。
可降解塑料的发展和广泛应用被广泛认为是缓解日益严重的塑料污染问题的关键策略（Fan等人，2022年）。常用的可降解塑料包括聚乳酸（PLA）、聚（丁酸-对苯二甲酸共聚物）（PBAT）、聚己内酯（PCL）、聚（丁酸）（PBS）、聚羟基烷酸酯（PHA）和聚羟基丁酸酯（PHB）。理论上，可降解塑料可以被微生物完全降解为CO2、CH4、H2O和无机化合物（Zhou等人，2024年）。然而，可降解塑料的降解效率受到多种因素的影响，包括温度、pH值、湿度、氧气可用性和聚合物本身的性质（Fan等人，2022年）。大多数可降解塑料在真实环境条件下不会迅速降解，因此可能比传统塑料产生更多的MPs（Chen等人，2023年）。可降解微塑料（BMPs）可能对土壤微生物群落、酶活性以及碳和氮循环过程的影响比传统MPs（CMPs）更显著（Fan等人，2022年；Qin等人，2021年）。例如，由于其较高的降解性，PLA和PBAT可以显著改变土壤微生物群落，并通过增加土壤中的溶解有机碳（DOC）含量、改变土壤C:N比例以及为微生物提供更易利用的碳源来影响碳和氮循环过程（Hu等人，2024年；Zhou等人，2024年）。Meng等人（2022年）报告称，PBAT/PLA对土壤DOC、溶解有机氮以及可利用氮（N-NH4+和N-NO3?）的影响比低密度聚乙烯（LDPE）更显著。相比之下，Chen等人（2020年）报告称，2%（w/w）的PLA（20–50 μm）暴露对稻田土壤中的微生物多样性和群落组成没有显著影响。BMPs降解过程中释放的中间产物（如寡聚物、二聚体和单体）和添加剂可能为某些土壤微生物提供碳源，同时可能对其他微生物构成潜在风险（Cao等人，2024年；Deng等人，2025年）。BMPs对土壤功能和微生物群落的影响非常复杂，可能受到多种因素的影响，包括土壤类型、BMP的性质（如聚合物类型、大小、形状、老化程度和添加剂）、BMP浓度、栽培条件以及暴露时间。尽管有许多研究考察了BMPs对土壤功能和微生物群落的影响，但大多数研究仅限于少数几种BMP类型，并主要关注短期反应，这不足以阐明常见BMPs的长期和全面影响。因此，目前尚不清楚常见BMPs与PE、PP和PVC等CMPs在长期降解过程中的影响有何不同。
在本研究中，我们重点研究了六种常见的BMPs（PLA、PBAT、PCL、PBS、PHA和PHB），以及最常在土壤中检测到的CMPs（PE、PP和PVC）。将农业土壤与不同浓度的各种BMPs和CMPs共同培养180天，以（1）评估培养前后MPs的结构和物理化学性质的变化；（2）研究BMPs和CMPs对土壤酶活性、细菌群落结构与功能以及与土壤碳和氮循环相关的功能基因丰度的影响。通过长期培养实验，本研究系统地比较了常见BMPs和CMPs在土壤中的降解行为及其对土壤微生物群落的影响，从而为评估BMPs长期暴露在土壤中的生态效应提供了科学依据。
材料与化学品
各种原始BMPs（PLA、PBAT、PCL、PBS、PHA和PHB）和CMPs（PE、PP和PVC）从中国广东的华创塑料化工公司购买，其化学结构在补充材料（SM）中提供（表S1）。这些MPs被筛分至2800–4000 μm（5–7目）的粒径范围，用甲醇洗涤，在45°C下干燥，并保存在4°C以备后续使用。该粒径范围对应于土壤中MPs的实际分布（Islam和Cheng，2024年；
培养前后MPs的结构和性质变化
经过180天的土壤培养后，PCL、PHA、PBAT、PVC和PBS的重量分别减少了12.8 ± 6.5%、5.60 ± 4.25%、1.14 ± 0.25%、0.652 ± 0.956%，而PE、PP、PLA和PHB没有显著减重（图1a，表S4）。大多数MPs的表观形态和表面官能团特征发生了不同程度的变化，BMPs的变化更为明显（图1b、c）。详细表征见
MPs在土壤中的降解
在本研究中，PE和PP在180天的土壤培养后几乎没有降解，这与Yu等人（2024年）的报告结果一致。相比之下，PCL、PHA、PBAT和PBS在180天的土壤培养后发生了不同程度的降解，尤其是PCL和PHA的降解更为显著，这得到了先前研究的支持（Adhikari等人，2016年；Liao和Chen，2021年）。这种相对较高的降解性主要归因于
结论
本研究通过控制土壤培养实验，研究了PE、PP、PVC、PLA、PBAT、PBS、PCL、PHA和PHB在土壤中的重量、表观形态和表面官能团的变化，以及它们对土壤酶活性、微生物群落和与碳和氮循环相关的功能基因的影响。经过180天的土壤培养后，PCL、PHA、PBAT、PVC和PBS的重量分别减少了12.8 ± 6.5%、5.60 ± 4.25%、1.14 ± 0.25%
环境意义
本研究探讨了CMPs（PE、PP和PVC）和BMPs（PLA、PBAT、PCL、PBS、PHA和PHB）对土壤酶活性、土壤微生物群落结构与功能以及与土壤碳和氮循环相关的功能基因丰度的影响。BMPs，特别是PHB、PHA、PBS和PCL，对土壤微生物的影响比CMPs更强。PBS、PHB、PCL、PHA和PBAT对土壤碳和氮循环过程有显著影响，包括碳
作者贡献声明
刘宇涵：撰写——原始草稿，调查，数据管理。北雪：撰写——原始草稿，调查。郑传伟：调查，数据管理。楼红：撰写——审阅与编辑，软件使用，数据分析。田慧梅：撰写——审阅与编辑，方法学，概念化。韩文静：撰写——审阅与编辑，方法学，概念化。孙文晓：调查。焦松燕：数据分析。李硕：软件使用。李冰：撰写——审阅与编辑，
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
本工作得到了国家自然科学基金（[资助编号 42177266）的支持。
