在多种农业耕作方式下，可生物降解塑料和传统微塑料对受镉（Cd）和砷（As）污染土壤的健康状况以及金属迁移性的影响存在差异

《Applied Soil Ecology》：Divergent impacts of biodegradable and conventional microplastics on soil health and metal mobility in Cd/As-contaminated soils under diverse farming practices

可降解塑料（BMPs）与常规塑料（CMPs）对Cd/As复合污染土壤中作物生长、微生物群落及重金属迁移的影响存在显著差异。研究发现BMPs更易改变土壤pH、有机碳及氮含量，抑制水稻和芥菜生长，并通过调控硝酸盐还原相关微生物（如Bradyrhizobium、Dyella）显著降低土壤硝态氮。虽然所有塑料均减少Cd/As生物有效性，但BMPs导致更多Cd/As在作物中积累，尤其在非淹水条件下微生物群落稳定性下降更明显。

　　

杨玉香|田永生|王家豪|张龙|吴继志|张晓凯|王杰|赵凯丽

浙江省农业与林业大学土壤修复与质量提升重点实验室，中国杭州，311300

摘要

可生物降解塑料作为传统塑料的可持续替代品越来越受到推崇。然而，尽管人们对可生物降解微塑料（BMPs）的环境风险日益关注，但它们对重金属污染土壤的影响仍知之甚少。本研究考察了在不同耕作方式（淹水和非淹水）下，BMPs（聚乳酸（PLA）、聚丁酸琥珀酸酯（PBS）和聚丁酸己二酸酯（PBAT）与传统微塑料（CMPs；聚乙烯，PE）对土壤健康和重金属迁移的影响。结果表明，与CMPs相比，BMPs更显著地改变了关键土壤性质（包括pH值、溶解有机碳和矿物氮），并更大幅度地抑制了作物生长。这种生长抑制主要归因于BMPs对土壤中NO₃^?-N有效性的抑制。此外，BMPs，尤其是PBAT-MPs，显著改变了土壤微生物群落的多样性、组成和共现网络稳定性。这些微生物反应在淹水和非淹水条件下存在显著差异，表明BMPs在非淹水系统中可能带来更高的微生态风险。在BMPs处理下，非淹水土壤中硝酸盐还原和氮呼吸相关功能群（如慢生根菌和Dyella）的富集，以及淹水土壤中Lentimicrobium的富集，有助于解释观察到的土壤NO₃^?-N下降现象。重要的是，尽管所有MPs都降低了土壤中Cd和As的生物有效性，但它们扰乱了金属在作物中的迁移，导致如As等重金属在稻叶中的积累增加。这些发现为评估MPs，特别是BMPs，在不同水文条件下的重金属污染土壤中可能带来的潜在威胁提供了宝贵的见解。

引言

近年来，微塑料（MPs）污染已成为全球环境和农业领域的一个重大问题（Wang等人，2022年）。集约化的农业实践使农业土壤成为MPs污染的“汇”和“源”（Dai等人，2025年）。MPs在土壤中的长期积累直接威胁着土壤健康，并引发了人们对人类健康跨介质暴露风险的担忧（Luo等人，2020年）。《全球塑料条约》草案将可生物降解塑料（BPs）确定为缓解塑料污染的有希望的替代品，预计其产量将在2024年达到247万吨，到2029年达到573万吨（https://plasticseurope.org/）。BPs设计为由微生物代谢并最终矿化为CO₂、CH₄和H₂，从而减少与传统塑料（CPs）相比的环境负担（Wang等人，2025年）。然而，它们在自然环境中的降解效率远低于预期，导致短期内出现可生物降解MPs（BMPs）污染的区域热点（Liao和Chen，2021年）。BMPs对土壤健康的负面影响已得到越来越多的证实，包括破坏土壤酸碱平衡、团聚体结构、土壤微生物群落稳定性、养分循环、对土壤生物的生态毒性以及抑制作物生长（Mo等人，2023年；Wang等人，2023a；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c）。随着BPs的广泛采用，如可生物降解的地膜，预计它们会在农业土壤中积累越来越多，这凸显了评估其环境风险的紧迫性。最近发表在《科学》杂志上的一篇文章进一步呼吁提高对BPs降解产物的环境危害的认识（Zhao等人，2025年）。

中国的农业土壤普遍且持续受到镉（Cd）和砷（As）的污染（Shi等人，2019年）。因此，这些有毒金属与来自集约化农业活动的MPs的共存是不可避免的。MPs与金属之间的相互作用可能改变Cd/As的环境命运，导致复杂的复合污染效应。虽然重金属直接吸附在MPs上的现象已有充分记录，且吸附能力因聚合物类型和元素种类而异（Shi等人，2023年），但关于MPs对Cd和As生物有效性的影响的研究结果并不一致。一些研究表明MPs可能通过“稀释效应”增强金属迁移（Han等人，2024年；Zhou等人，2024b），而其他研究则表明MPs可以通过改变关键土壤性质（包括pH值、溶解有机碳（DOC）含量和阳离子交换容量（CEC）来减少、中和或促进生物有效性（Wang等人，2023a；Zhou等人，2024a；Shao等人，2024年）。这些差异主要是由于不同类型MPs对土壤环境的不同影响。值得注意的是，BMPs具有更活跃的表面，对土壤性质的影响更大，因此可能对Cd和As的行为有更明显的影响。尽管如此，关于BMPs对土壤-作物系统中Cd和As迁移影响的研究仍然有限，特别是在不同水文条件下。此外，MPs与重金属之间的相互作用可能导致复杂的生态效应，这些效应可能是协同的、对抗的或中性的（Xu等人，2024年；Shi等人，2023年；Wu等人，2024a；Zhang等人，2022年）。这些多样化的效应高度依赖于MPs的类型，特别是BMPs与CMPs之间的差异，可能涉及对金属积累和植物毒性的直接调节，以及通过干扰作物代谢的间接调节（Xu等人，2024年；Zhang等人，2022年）。然而，这些相互作用背后的机制仍不完全清楚，特别是在不同水文条件下。解决这一知识空白对于评估MPs和重金属在农业土壤中的综合污染风险至关重要。

作物生产力和土壤微生物群落多样性是土壤健康的关键指标（Lehmann等人，2020年）。因此，了解不同类型MPs对重金属污染土壤生态系统的影响，特别是与植物生长、重金属迁移和土壤微生物群落的关系，是必不可少的。然而，现有研究主要集中在高地土壤上，或者仅考察MPs与单一重金属的相互作用（Shao等人，2024年；Wang等人，2023a；Zhang等人，2022年；Xu等人，2024年）。作为中国南方的主要作物，水稻通常在淹水条件下种植。此外，Cd和As是该地区稻田土壤中的常见污染物（Mu等人，2019年），它们在稻谷中的积累对中国粮食安全和保障构成了严重威胁（Lin等人，2022年）。因此，研究MPs输入在Cd/As共污染土壤中的生态影响具有重要的实际意义；然而，目前的证据仍然不足。

在这里，进行了盆栽实验，以研究CMPs（聚乙烯，PE）和BMPs（聚乳酸，PLA；聚丁酸琥珀酸酯，PBS和聚丁酸己二酸酯-共-对苯二甲酸酯，PBAT）对Cd/As共污染土壤健康的影响。本研究重点关注土壤性质、作物生长、微生物群落稳定性以及Cd和As在土壤-植物系统中的迁移行为。我们提出以下假设：（1）MPs的引入，特别是BMPs，对Cd/As共污染土壤中的作物生长和微生物群落造成显著压力；（2）CMPs降低了土壤中Cd和As的生物有效性及其在作物中的积累，而BMPs则会产生相反的效果。

部分摘录

土壤、微塑料和作物

土壤样本采集自中国绍兴市一个矿区附近的稻田（30°52′9″N，121°23′19″E），该地区主要受到Cd和As的污染，其总浓度分别为0.98 mg/kg和71.72 mg/kg。采样在塑料污染不严重的区域进行。去除表面杂物后，从5–20 cm深度的土壤中采集样本。样本在室温下自然干燥，去除可见的植物和动物残骸等。

MPs对Cd/As污染土壤中作物生长的影响

PE-MPs对水稻生长没有显著影响，但显著抑制了小白菜的生长（p < 0.05；图1）。相比之下，BMPs对作物生长的抑制作用更为明显，使水稻地上生物量减少了23.8%–51.3%，根系生物量减少了15.0%–60.3%，小白菜地上生物量减少了23.8%–42.3%（图1A、D和G）。在这些MPs中，PBS和PBAT-MPs对水稻的抑制作用更强，而PLA-MPs对小白菜的抑制作用更为显著。

结论

本研究表明，尽管MPs降低了受污染农业土壤中Cd和As的生物有效性，但它们的引入，特别是BMPs的引入，引发了更严重的生态风险。首先，BMPs通过严重的氮限制加剧了Cd/As污染土壤的恶化，这是由于MPs引起的微生物种群功能变化所致，最终抑制了作物生长。此外，出现了一个关键的悖论：尽管所有MPs处理都减少了金属

CRediT作者贡献声明

杨玉香：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据管理。田永生：撰写——原始草稿、可视化、数据管理。王家豪：数据管理。张龙：撰写——审阅与编辑、可视化。吴继志：撰写——审阅与编辑。张晓凯：撰写——审阅与编辑。王杰：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、资金获取、概念化。赵凯丽：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。

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报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42207472）和浙江农业与林业大学科学研究基金（项目编号：2024LFR061）的支持。