《Journal of Hazardous Materials》：Interactive effects of drought and microplastic particle size on soil bacterial community structure
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本研究探讨干旱与不同类型、大小的微塑料（MPs）共同作用对土壤细菌群落的影响。结果表明，小颗粒MPs（如PHA20）显著降低微生物多样性（Shannon指数下降29%），同时干旱加剧MPs对土壤理化性质和代谢通路的改变，如pH值降低和氮含量增加。MPs效应受其类型和尺寸双重调控，且在干旱条件下协同作用更为显著，提示需在风险评估中纳入粒径和降解特性。
侯一然|刘彪|赵佳颖|贾慧琳|赵丽明|吴俊峰|李松雅|周长瑞
河南省水污染控制与修复技术重点实验室，河南城建大学，平顶山467036，中国
摘要
微塑料（MPs）与干旱的共存威胁着土壤健康，然而微塑料的尺寸如何调节微生物对干旱的响应仍不清楚，这阻碍了对其联合影响的预测。本研究调查了不同类型聚合物（不可降解的聚丙烯，PP与可降解的聚羟基烷酸酯，PHA）和不同粒径的微塑料对土壤细菌群落的单独及联合影响。经过60天的培养后，我们分析了土壤性质、酶活性、细菌组成、共现网络和代谢组谱。研究结果表明，干旱和微塑料共同改变了土壤的物理化学和生物特性。值得注意的是，微塑料的影响高度依赖于其尺寸，小粒径的微塑料对微生物多样性和网络结构的影响最为显著。在非干旱条件下，PHA20处理使香农指数降低了25%，而在干旱条件下，该指数降低了29%。共现网络分析显示，干旱和大多数微塑料降低了整体网络连通性，但干旱与某些微塑料（例如PHA）的结合增强了模块性，表明群落稳定性策略可能发生了变化。代谢组分析进一步证实，小粒径的微塑料引起了土壤代谢途径最显著的变化。冗余分析确定pH值、氮成分和特定酶是不同处理条件下塑造微生物群落的关键因素。这些发现提供了关键证据，表明微塑料的粒径是决定其在干旱条件下对土壤生态系统影响的关键因素，强调了在气候变化背景下进行塑料污染生态风险评估时需要考虑这一变异性。
引言
全球气候变化加剧了干旱事件的频率和严重程度，给陆地生态系统带来了巨大压力[1]。这些变化对土壤微生物群落产生了深远影响，而土壤微生物群落在生物地球化学循环和维持土壤健康方面发挥着不可或缺的作用[2]。同时，农业土壤受到微塑料的污染日益严重，这些微塑料来源于塑料碎片的破碎和风化，引发了严重的环境问题[3]。研究表明，中国农田土壤中微塑料的平均含量为2462个/千克，某些地区甚至高达4536.6个/千克。这些微塑料的主要粒径小于200微米，其次是200–500微米范围[4]，[5]。大量研究证实，微塑料可以显著改变土壤结构、物理化学性质和微生物功能[6]，[7]。微塑料通过三种主要机制影响土壤微生物群落，这些机制可能与干旱压力产生协同作用：物理上，它们在表面创造异质性微生境，并可能破坏微生物生物膜，干扰群体感应和功能合作[8]；化学上，微塑料作为持久性有机污染物、重金属及其添加剂的载体，改变污染物的分布和生物可利用性，从而产生直接毒性或选择压力[9]；生态上，它们改变土壤孔结构和水分运动，加剧干旱条件下的水分和养分空间异质性，重塑微生物生境。总体而言，这些机制导致微生物群落结构失衡，抑制关键功能群落，并可能削弱土壤生态系统对干旱和其他压力的抵抗力和恢复力[10]。尽管已有大量关于干旱或微塑料对土壤细菌群落单独影响的研究，但对其联合影响的系统理解仍然有限[11]，[12]。这一知识空白限制了我们预测土壤生态系统在多因素压力下的响应和适应能力。
在干旱压力下，水分可用性减少、渗透压增加和养分扩散受限共同损害了微生物的生理活动，可能导致群落组成和功能的适应性重构[13]，[14]。细菌通常通过形成生物膜、合成适应性溶质[15]和上调与压力相关的基因等机制来应对这些压力。同时，微塑料的环境影响因聚合物类型（如聚乙烯、聚酯和可降解塑料）和粒径而异[16]。较大的微塑料颗粒主要影响土壤微结构和水力性质，而较小的颗粒可能被微生物摄入或吸附，从而干扰养分吸收和代谢过程，尤其是在作为其他污染物的载体时[17]，[18]。然而，大多数现有研究集中在正常水分条件下的微塑料生态毒性上，很少有研究探讨其与干旱压力的潜在协同作用。鉴于干旱对全球农业生产力和土壤健康的严重影响，阐明其与微塑料等污染物的相互作用对于制定具有前瞻性和韧性的土地管理策略至关重要。
微塑料的环境行为与其聚合物特性和粒径密切相关[19]。例如，传统的石油基微塑料如聚乙烯具有高度持久性，可以在土壤中长期存在[20]。相比之下，可降解的变体如聚乳酸和PHA在分解过程中会释放代谢中间体，可能改变微生物的代谢途径[21]。此外，较小粒径微塑料较大的比表面积促进了其与微生物的界面相互作用，对土壤微生境的影响更为显著[22]，[23]。然而，目前尚不清楚这些固有特性是否会导致干旱条件下土壤细菌群落的独特组装模式——这是一个需要系统研究的课题。在气候变化的背景下，干旱的频繁发生与广泛的微塑料污染相结合，可能会产生协同效应，对土壤结构、生物活性和养分循环等关键过程产生超出单一因素的非线性复合影响。因此，准确评估这种联合效应是预测土壤生态系统未来行为和防止不可逆退化风险的关键前提。
因此，本研究探讨了土壤细菌群落在干旱压力下对不同类型和粒径微塑料的响应。我们进行了实验室培养实验，使用了两种水分水平和两种微塑料类型——传统的不可降解PP和可降解的PHA——以及三种粒径（20、80和200微米）。通过受控的微宇宙方法，我们试图确定微塑料的影响是否因类型和粒径而异，并阐明这些因素如何相互作用以塑造微生物群落结构。这项工作旨在为在人为和气候压力共同作用下的土壤生态系统韧性提供更深入的见解。
部分摘录
微塑料与土壤制备
土壤样本采集自中国河南省平顶山市白龟湖国家湿地公园附近的农田表层土壤（0–20厘米深度）。该地区采用小麦/玉米轮作系统，没有使用农业塑料膜的记录。土壤样本在室温下风干，然后均匀化，并通过2毫米筛子去除碎屑和大颗粒。接着使用10目筛子确保粒径均匀。本研究
土壤物理和化学性质
微塑料污染和干旱压力显著改变了土壤的物理化学性质（图1）。添加PHA显著降低了土壤pH值（单因素方差分析，p<0.05），干旱进一步加剧了酸化，尽管土壤总体上仍呈弱碱性。添加20微米的微塑料显著增加了土壤中的氮含量（单因素方差分析，p<0.05），其中NO2-N的影响最为显著，在PP20处理中达到最大值8.59毫克/千克
微塑料对土壤物理化学指标的影响与粒径和类型显著相关
土壤的物理化学性质和酶活性是调节细菌群落结构、丰度和多样性的关键因素[24]。虽然先前的研究表明传统的不可降解微塑料倾向于降低土壤pH值，而可降解类型的影响较小，但我们的研究揭示了更为复杂的模式[25]。在本研究中，小粒径的PP20处理显著提高了土壤pH值，而PHA20和PHA80则导致pH值显著下降。这种差异可能是结论
本研究的核心发现是，微塑料对土壤细菌群落的影响受到其聚合物类型和粒径的强烈影响。具体而言，小的可降解微塑料（PHA）由于其可降解性而作为碳源驱动土壤细菌群落的结构演变。同样，小的PP微塑料对细菌群落的功能和表型具有抑制作用。Patescibacteria和Myxococcota被确定为在不同水分梯度和土壤条件下的关键分类群
环境意义
本研究表明，微塑料在干旱条件下的生态影响严重依赖于粒径，较小颗粒的威胁更大。这种尺寸依赖性效应目前在监管框架中被忽视，这挑战了使用总塑料质量作为风险指标的做法。我们的发现强调了通过纳入粒径和气候变化情景来完善环境风险评估的紧迫性，以便有效管理塑料污染
CRediT作者贡献声明
周长瑞：项目管理、研究、概念构思。吴俊峰：方法学、研究。李松雅：资金获取、概念构思。赵丽明：数据管理。贾慧琳：研究、数据管理。刘彪：写作——审稿与编辑、资金获取、数据管理。赵佳颖：方法学、研究。侯一然：写作——初稿撰写、研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了以下项目的支持：河南省科学技术研究（232102321044, 242102321078）和河南省自然科学基金（252300423236）的支持。
