文献解读‖Environmental Pollution：用微珠处理过的土壤中草和牧草的生长、养分浓度和微生物活性
1. 研究背景及领域挑战
微塑料是指各种小于5 mm的聚合物颗粒，其形态丰富，包括珠状、纤维状、碎片状和薄膜状。它们是工业和社会中广泛使用塑料的副产品，因为它们具有广泛的功能，低成本和高耐用性。环境中的大块塑料通过紫外线照射、碰撞和摩擦等多种机制被分解成直径小于5 mm的微塑料，这导致了全球土壤中潜在的积累。
目前，关于微塑料对土壤生态系统功能的影响的信息仍然有限，但正在得到广泛的研究。微塑料是人工制造的材料，具有与自然物质不同的非生物成分和结构特性。微塑料进入土壤后，可以改变土壤的团聚体和孔隙度等性质，从而影响土壤的渗透性和保水能力。此外，微塑料中所含添加剂的浸出，微塑料作为微生物“新栖息地”的作用，微塑料的疏水性及其吸附和释放有机污染物的高比表面积都是影响土壤生物群的因素和过程。
因此，土壤中微塑料的存在可能通过影响土壤性质和微生物群落，改变与土壤养分相关的多种生态系统功能。只有少数研究关注这一主题，如果有的话，也没有得出一致的结论。据报道，微塑料进入土壤后调节土壤酶活性。实验表明，聚酰胺(PA)、聚酯(PES)纤维和聚丙烯(PP)大大增强了荧光素二醋酸酯水解酶的活性。相比之下，PE微塑料显著提高了肉桂湖土壤中的脲酶活性。相反，PP和PE分别在加入土壤后第40天和第60天显著降低了过氧化氢酶活性。然而，微塑料对与碳、氮、磷循环密切相关的关键酶(如纤维素降解中的β-葡萄糖苷酶、几丁质降解中的β-葡萄糖苷酶和磷酸酶)影响的研究结果有限，需要更多的研究。
值得强调的是，微塑料可以直接微调营养循环。例如，微塑料对土壤无机氮含量的影响得到了相反的结果。有研究表明，PP和橡胶屑(RC)可降低土壤无机氮，而另一项研究发现，土壤中添加聚乳酸(PLA)微塑料可显著降低土壤NH4+含量，而NO3−和NO2−含量显著增加。此外，关于微塑料对土壤磷供应影响的研究很少且不一致。由图可知，PP和PLA微塑料对土壤速效磷/无机磷的影响分别为正和无。
到目前为止，关于微塑料对植物生物量的影响还没有一致的结果，有正面的报道，也有负面的报道。例如，一项研究发现，0.1-10%质量浓度的聚苯乙烯(PS)降低了菜豆和米的植物生物量，而另一项研究表明，2%质量浓度的微塑料显著增加了葱属植物的生物量。微塑料可以通过附着在根表面，阻断根系中的离子通道，从而阻碍养分和水分的吸收，或者通过阻碍根内的细胞连接或细胞壁，阻碍营养物质的运输，从而抑制植物的根系生长。此外，微塑料通过改变土壤结构、养分含量和微生物活动的理化性质，间接刺激植物生长。大多数关于微塑料对植物生物量影响的研究都是在单一物种的实验中进行的。然而，在真实的生态系统中，植物群落通常由一个以上的物种组成。微塑料对植物生物量的影响需要在更高的群落和生态系统水平上进行研究。
2. 文章详情
山东大学郭卫华教授团队通过室内盆栽实验，以芦苇和金秋草为常驻种，分别为绿尾草、大豆甘氨酸、毛细蒿、蓝棉、羊草分别组成5个群落，探讨PE(低浓度和高浓度)和PS(低浓度和高浓度)对生态系统功能和多功能性的影响。这与植物总生物量、微生物活性和养分供应有关。我们预计，微塑料会对单一生态系统功能和多种功能产生积极或消极的影响，这取决于微塑料的类型和浓度。
3. 图文解析
图1. 植物总生物量(A)、地上生物量(B)和地下生物量(C)对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应(n = 6)。每个处理有5个植物群落，每个群落由3个物种组成。5个植物群落分别由芦苇，芦苇草和其他5种植物(狗尾草、大豆甘氨酸、毛细蒿、蓝棉、柠檬)组成。
图2. β-葡萄糖苷酶(A)、β-葡萄糖苷酶(B)、磷酸酶(C)和微生物生物量(D)对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应(n = 6)。
图3所示。全氮含量(A)、铵态氮含量(B)、硝态氮含量(C)、全磷含量(D)和土壤氮磷比(N/P) (E)对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High) (N = 6)的响应。
图4. 生态系统多功能性对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应采用平均法计算生态系统多功能性。数据点以圆圈表示(n = 6)。
图5. 生态系统多功能性对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应生态系统多功能性是基于阈值法计算的，其中每个功能超过20% (A)、40% (B)、60% (C)和80% (D)的标准化最大贡献对多功能性得分的贡献。数据点以圆圈表示(n = 6)。
4. 结论
随着微塑料污染的加剧，开发微塑料对生态系统功能和多功能性的影响日益迫切。在本研究中，我们在较长时间尺度上进行了实验，发现许多生态系统功能被抑制或改变，从而影响了生态系统的多功能性。微塑料通过抑制植物根系生长来降低植物总生物量，这是由微塑料抑制根系吸收养分和水分，提高土壤渗透性促进根系生长所决定的。此外，微塑料对β-氨基葡萄糖酶和磷酸酶的影响有很多原因，包括但不限于微生物群相对丰度的变化和土壤养分有效性的变化。此外，微塑料通过影响土壤性质降低了土壤总氮和总磷供应，且氮供应的减少幅度大于磷供应。从长远来看，这种新型污染物应该得到足够的重视，因为微塑料不仅可能影响生态系统功能和多功能性，还可能影响对人类福祉至关重要的生态系统服务和产品。
1. 研究背景及领域挑战
微塑料是指各种小于5 mm的聚合物颗粒，其形态丰富，包括珠状、纤维状、碎片状和薄膜状。它们是工业和社会中广泛使用塑料的副产品，因为它们具有广泛的功能，低成本和高耐用性。环境中的大块塑料通过紫外线照射、碰撞和摩擦等多种机制被分解成直径小于5 mm的微塑料，这导致了全球土壤中潜在的积累。
目前，关于微塑料对土壤生态系统功能的影响的信息仍然有限，但正在得到广泛的研究。微塑料是人工制造的材料，具有与自然物质不同的非生物成分和结构特性。微塑料进入土壤后，可以改变土壤的团聚体和孔隙度等性质，从而影响土壤的渗透性和保水能力。此外，微塑料中所含添加剂的浸出，微塑料作为微生物“新栖息地”的作用，微塑料的疏水性及其吸附和释放有机污染物的高比表面积都是影响土壤生物群的因素和过程。
因此，土壤中微塑料的存在可能通过影响土壤性质和微生物群落，改变与土壤养分相关的多种生态系统功能。只有少数研究关注这一主题，如果有的话，也没有得出一致的结论。据报道，微塑料进入土壤后调节土壤酶活性。实验表明，聚酰胺(PA)、聚酯(PES)纤维和聚丙烯(PP)大大增强了荧光素二醋酸酯水解酶的活性。相比之下，PE微塑料显著提高了肉桂湖土壤中的脲酶活性。相反，PP和PE分别在加入土壤后第40天和第60天显著降低了过氧化氢酶活性。然而，微塑料对与碳、氮、磷循环密切相关的关键酶(如纤维素降解中的β-葡萄糖苷酶、几丁质降解中的β-葡萄糖苷酶和磷酸酶)影响的研究结果有限，需要更多的研究。
值得强调的是，微塑料可以直接微调营养循环。例如，微塑料对土壤无机氮含量的影响得到了相反的结果。有研究表明，PP和橡胶屑(RC)可降低土壤无机氮，而另一项研究发现，土壤中添加聚乳酸(PLA)微塑料可显著降低土壤NH4+含量，而NO3−和NO2−含量显著增加。此外，关于微塑料对土壤磷供应影响的研究很少且不一致。由图可知，PP和PLA微塑料对土壤速效磷/无机磷的影响分别为正和无。
到目前为止，关于微塑料对植物生物量的影响还没有一致的结果，有正面的报道，也有负面的报道。例如，一项研究发现，0.1-10%质量浓度的聚苯乙烯(PS)降低了菜豆和米的植物生物量，而另一项研究表明，2%质量浓度的微塑料显著增加了葱属植物的生物量。微塑料可以通过附着在根表面，阻断根系中的离子通道，从而阻碍养分和水分的吸收，或者通过阻碍根内的细胞连接或细胞壁，阻碍营养物质的运输，从而抑制植物的根系生长。此外，微塑料通过改变土壤结构、养分含量和微生物活动的理化性质，间接刺激植物生长。大多数关于微塑料对植物生物量影响的研究都是在单一物种的实验中进行的。然而，在真实的生态系统中，植物群落通常由一个以上的物种组成。微塑料对植物生物量的影响需要在更高的群落和生态系统水平上进行研究。
2. 文章详情
山东大学郭卫华教授团队通过室内盆栽实验，以芦苇和金秋草为常驻种，分别为绿尾草、大豆甘氨酸、毛细蒿、蓝棉、羊草分别组成5个群落，探讨PE(低浓度和高浓度)和PS(低浓度和高浓度)对生态系统功能和多功能性的影响。这与植物总生物量、微生物活性和养分供应有关。我们预计，微塑料会对单一生态系统功能和多种功能产生积极或消极的影响，这取决于微塑料的类型和浓度。
3. 图文解析
图1. 植物总生物量(A)、地上生物量(B)和地下生物量(C)对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应(n = 6)。每个处理有5个植物群落，每个群落由3个物种组成。5个植物群落分别由芦苇，芦苇草和其他5种植物(狗尾草、大豆甘氨酸、毛细蒿、蓝棉、柠檬)组成。
图2. β-葡萄糖苷酶(A)、β-葡萄糖苷酶(B)、磷酸酶(C)和微生物生物量(D)对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应(n = 6)。
图3所示。全氮含量(A)、铵态氮含量(B)、硝态氮含量(C)、全磷含量(D)和土壤氮磷比(N/P) (E)对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High) (N = 6)的响应。
图4. 生态系统多功能性对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应采用平均法计算生态系统多功能性。数据点以圆圈表示(n = 6)。
图5. 生态系统多功能性对低浓度聚苯乙烯(PS-Low)、高浓度聚苯乙烯(PS-High)、低浓度聚乙烯(PE-Low)和高浓度聚乙烯(PE-High)的响应生态系统多功能性是基于阈值法计算的，其中每个功能超过20% (A)、40% (B)、60% (C)和80% (D)的标准化最大贡献对多功能性得分的贡献。数据点以圆圈表示(n = 6)。
4. 结论
随着微塑料污染的加剧，开发微塑料对生态系统功能和多功能性的影响日益迫切。在本研究中，我们在较长时间尺度上进行了实验，发现许多生态系统功能被抑制或改变，从而影响了生态系统的多功能性。微塑料通过抑制植物根系生长来降低植物总生物量，这是由微塑料抑制根系吸收养分和水分，提高土壤渗透性促进根系生长所决定的。此外，微塑料对β-氨基葡萄糖酶和磷酸酶的影响有很多原因，包括但不限于微生物群相对丰度的变化和土壤养分有效性的变化。此外，微塑料通过影响土壤性质降低了土壤总氮和总磷供应，且氮供应的减少幅度大于磷供应。从长远来看，这种新型污染物应该得到足够的重视，因为微塑料不仅可能影响生态系统功能和多功能性，还可能影响对人类福祉至关重要的生态系统服务和产品。
