可生物降解的微塑料促进了土壤中自由生活固氮菌的活动，并加速了固氮菌群落的分化

《Journal of Environmental Management》：Biodegradable microplastics-induced free-living nitrogen fixation enhancement and diazotrophic community differentiation in soils

可降解微塑料PBAT显著促进三种土壤中自由生活固氮（FLNF），剂量效应下N2 fixation速率提升最高达171.41%，同时增加土壤溶解有机碳（DOC）但降低氮磷钾可用性，PBAT通过改变微生物群落niche分化（specialists比例上升，generalists减少）调控FLNF。

　　

韩玉娟|高佩欣|宋继平|李彦宁|王晓|杨宁|赵旭|刘波|张传坤|李然|文丹|滕颖

中国山东省农业科学院蔬菜研究所，农业部与农村事务部黄淮保护园艺工程重点实验室，山东省大宗露天蔬菜育种重点实验室，国家养分利用与管理重点实验室，济南，250100

摘要

随着全球可降解塑料（BPs）在农业中的使用不断增加，人们开始关注这些材料产生的微塑料（MPs）对土壤生态功能的影响。自由生活固氮（FLNF）是土壤生态系统中新氮的主要来源，对维持全球生态系统生产力起着关键作用。然而，关于可降解微塑料（BMPs）对FLNF的影响知之甚少。本研究通过向三种农业土壤中添加可降解的聚丁酸乙二醇酯-对苯二甲酸酯（PBAT）和传统的聚乙烯（PE）微塑料进行了微宇宙实验。结果表明，在2% PBAT处理下，PBAT微塑料以剂量依赖的方式增强了FLNF，SD土样的N₂固定率增加了170.88%，SX土样增加了108.85%，XJ土样增加了171.41%；而PE微塑料除了在低剂量下可能具有轻微刺激作用外，没有显著效果。高剂量的PBAT微塑料显著增加了土壤中可溶性有机碳（DOC）的含量，但减少了关键养分的有效性，特别是可利用氮（AN）、可利用磷（AP）和可利用钾（AK）的含量，分别减少了7.90-25.63%、7.53-18.21%和3.49-7.00%。此外，与PE微塑料相比，PBAT微塑料对固氮菌群落的影响更为显著。具体来说，在PBAT微塑料的作用下，固氮菌群落表现出明显的生态位分化，专性菌种增多，而广食性菌种减少。尽管PBAT微塑料在不同土壤中对FLNF的影响途径不同，但DOC含量和专性菌种的相对丰度是调节N₂固定率的一致因素。总体而言，我们的研究结果表明了可降解塑料和传统塑料对FLNF的独特影响，强调了BMPs通过调节土壤碳有效性和固氮菌群落专业化来促进FLNF的作用。这项工作为BMPs作为易分解碳源对微生物介导的氮循环的生态后果提供了新的见解。

引言

塑料的广泛使用和不当的废弃处理方式导致了严重的塑料和微塑料（MPs）污染（MacLeod等人，2021年；Thompson等人，2004年，2024年）。为了减轻MPs的积累及其对环境的不利影响，人们开发了可降解塑料（BPs）作为传统不可降解塑料的环保替代品（Albertsson和Hakkarainen，2017年）。尽管BPs比传统塑料更容易被土壤微生物降解，但在预期时间内完全降解仍然具有挑战性（Han等人，2021年）。因此，进入土壤的BPs也可能在土壤中积累，并释放出新的类型微塑料，例如可降解微塑料（BMPs）。鉴于全球BPs的使用量正在增加（European Bioplastics，2024年），对其环境后果进行全面研究至关重要，特别是要关注BMPs的影响。土壤微生物群是元素生物地球化学循环的关键驱动因素，探索BMPs对土壤微生物群及其代谢功能的潜在影响对于全面了解BMPs的生态风险具有重要意义。已有研究表明，BMPs可以显著改变土壤微生物群的结构、酶活性、网络复杂性和生态组装过程（Sun等人，2022a，2022b；Shi等人，2025年；Rong等人，2025年；Xiang等人，2025年）。然而，目前的报告主要集中在整个细菌群落上，我们对BMPs对特定微生物群及其驱动的关键生态过程的影响了解有限。对于那些介导重要生态系统服务的关键微生物功能群（如固氮细菌），这种认识尤为不足。BMPs对这些群组的环境风险主要源于两个原因：（1）一般微生物群中的高功能冗余性可能掩盖了对这些关键且通常数量较少的功能群的特定影响；（2）缺乏将BMPs引起的特定微生物群变化与其功能活性变化直接联系起来的研究。

生物固氮（BNF）是一个重要过程，其中固氮菌将大气中的氮气（N₂）转化为生物可利用的氨氮（NH₃），每年为陆地生态系统提供40-290 Tg N ha^?1（Davies-Barnard和Friedlingstein，2020年）。BNF主要分为两类：共生固氮和非共生固氮（自由生活固氮，FLNF），其中FLNF在土壤生态系统中普遍存在，并对土壤氮供应贡献巨大（Reed等人，2011年）。与可以从宿主植物获取能量的共生固氮不同，FLNF由自由生活的固氮菌驱动，利用土壤中的可利用碳作为能量来源（Mirza等人，2014年；Xu等人，2024年）。因此，土壤中的碳有效性是限制FLNF的关键因素。由于已知BMPs的降解会释放可利用的溶解有机碳（DOC）（Zhou等人，2021年；Sun等人，2022c；Zhang等人，2024年），这可能为异养微生物提供能量，我们假设BMPs带来的碳流入可能会克服自由生活固氮菌的能量限制，从而促进FLNF。此外，BMPs向土壤中输送的碳可能会增加土壤中的碳氮比，导致微生物氮的相对缺乏，进一步迫使土壤微生物增强其固氮功能以满足生长需求（Shi等人，2025年）。有研究表明，在添加BMPs后，参与固氮的功能基因的丰度显著增加（Hu等人，2023年；Shi等人，2025年）。这些发现表明，与传统塑料相比，BMPs在刺激微生物固氮功能方面具有更大的潜力。然而，迄今为止，只有少数研究探讨了MPs对固氮过程的影响，现有研究仅关注了添加MPs后特定基因丰度的变化，而MPs是否影响固氮菌群及其固氮活性仍不清楚。特别是，关于具有不同生物降解性的MPs对土壤微生物固氮功能影响的机制，目前仍存在相当大的知识空白。

固氮菌在环境压力下采用特定的生存策略，使它们不仅能够在恶劣条件下生存，还能通过动态调节固氮功能来建立生态优势（Zhu等人，2022年；Hu等人，2024年）。根据生态位宽度，微生物可以被分类为广食性、中性和专性菌（Chen等人，2021年）。这种分类基于生态位分化理论，该理论认为：广食性菌具有广泛的生态位宽度，能在多种生境中生存，但竞争力较弱；而专性菌则具有针对狭窄生态位宽度的专门适应性，在受限的环境范围内表现出最佳性能（Slatyer等人，2013年）。广食性与专性菌的不同生态位宽度策略不仅决定了每个分类单元和整个群落对环境扰动的耐受性，还显著影响了群落的功能特征（Wang等人，2024年）。

生态位分化理论为理解固氮菌群对BMPs暴露的适应提供了预测框架。我们假设，作为新的生境和易分解碳的集中来源，BMPs施加了强烈的选择压力。这种环境可能选择具有专门酶系统（如聚酯水解酶）的固氮专性菌，使其能够降解和利用BMPs衍生的碳，从而在该生态位中占据主导地位。相比之下，具有更广泛但效率较低的广食性菌在这种特定的选择压力下竞争力较弱。阐明MPs污染下的生态位分化对于揭示MPs对FLNF的调节机制至关重要，因为微生物群落的生态位分化与其功能特征密切相关。然而，固氮广食性和专性菌如何响应MPs暴露，以及这些响应如何与N₂固定活性相关联，目前仍不清楚。

因此，我们在三种不同的土壤中进行了为期120天的微宇宙实验，使用了两种类型的MPs（一种代表性的传统塑料聚乙烯（PE）和一种代表性的BMPs聚丁酸乙二醇酯-对苯二甲酸酯（PBAT））。我们假设：（1）由于PBAT的更好生物降解性，它们可能提供更多的可利用碳源，从而比PE微塑料更显著地刺激土壤中的自由生活固氮；（2）PBAT微塑料会引发固氮菌群的分化，重塑固氮菌群，最终促进FLNF的增强。本研究旨在通过实验验证BMPs如何影响多种土壤类型中的FLNF和固氮菌群的生态位分化，填补相关知识空白。

实验部分

MPs与土壤

PBAT和PE微塑料来自中国东莞的Tesulang化学原料厂。颗粒被筛分至100–180 μm的尺寸范围。使用扫描电子显微镜（QUANTA FEG250，FEI；图S1）对其形态和大小进行了表征。使用前，将微塑料浸泡在70%乙醇中24小时进行灭菌，然后用无菌超纯水冲洗三次，并在通风橱中风干。土壤样本采集自农田土壤剖面的顶部20厘米

MPs对N₂固定率的影响

总体而言，PBAT微塑料在所有三种土壤中都以剂量依赖的方式增加了N₂固定率（图1）。在2% PBAT处理下，SD土样的N₂固定率增加了170.88%，SX土样增加了108.85%，XJ土样增加了171.41%。然而，当添加PE微塑料时则没有这种效果。在SD土样中，低剂量的PE微塑料显著增加了N₂固定率，而高剂量的PE微塑料没有显著效果。同样，在SX土样中，N₂固定率也表现出类似的变化趋势

MPs改变了土壤中的碳和可利用氮含量

我们的结果显示，随着MPs添加量的增加，土壤有机质（SOM）含量呈上升趋势，这与先前的研究结果一致（Han等人，2024年；Liu等人，2017年；Yuan等人，2023年）。此外，当存在PBAT微塑料时，效果更为明显。由于PBAT微塑料的生物降解性，它们可能通过提供可利用的碳源来影响微生物的丰度、群落组成和代谢活性

结论

本研究探讨了可降解PBAT微塑料和传统不可降解PE微塑料对土壤中FLNF的影响及其背后的微生物机制。结果表明，PBAT微塑料显著促进了FLNF，且这种促进作用具有剂量依赖性。相反，高剂量的PE微塑料对FLNF没有显著影响，尽管在低剂量下可能具有刺激作用。同时，与PE微塑料相比，PBAT微塑料对土壤性质的影响更为显著。特别是高剂量的PBAT微塑料

作者贡献声明

韩玉娟：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法学、实验设计。高佩欣：撰写——审稿与编辑、软件、方法学。宋继平：验证、实验设计。李彦宁：撰写——审稿与编辑。王晓：实验设计。杨宁：资金获取。赵旭：实验设计。刘波：撰写——审稿与编辑。张传坤：撰写——审稿与编辑。李然：撰写——审稿与编辑。文丹：撰写——审稿与编辑、监督。滕颖：

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

本研究得到了国家自然科学基金（42407059、42130718）、山东省自然科学基金（ZR2023QD009、ZR2023QC256）、山东省农业工业技术系统资助（SDAIT-05）、泰山学者计划（tsqn202312288）、山东省农业科学院的农业科技创新项目（CXGC2025C08）以及国家重点研发计划的支持