土壤中生物可降解微塑料的環(huán)境行為及對碳循環(huán)影響的研究進(jìn)展

摘要：生物可降解塑料作為傳統(tǒng)塑料的替代品，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中獲得廣泛使用。然而，進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)的生物可降解塑料在分解過程中容易破碎，形成生物降解微塑料（BMPs）。全球可降解塑料產(chǎn)能的增長加劇了BMPs的環(huán)境風(fēng)險，尤其是在陸地生態(tài)系統(tǒng)中。本文綜述了BMPs在土壤中的環(huán)境行為，包括對污染物的吸附和解吸、生物降解以及衍生溶解性有機(jī)物（DOM）的釋放行為的影響，并探討了BMPs對土壤碳循環(huán)過程及相關(guān)微生物群落和功能基因的影響機(jī)制，以支撐生物可降解塑料的應(yīng)用潛力及環(huán)境風(fēng)險評估。

關(guān)鍵詞：生物可降解微塑料；吸附；土壤有機(jī)碳；微生物群落結(jié)構(gòu)；功能基因

中圖分類號：X53；X144 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2025）03-0554-12 doi：10.11654/jaes.2024-1056

在第二屆聯(lián)合國環(huán)境大會上，微塑料（MPs）污染被確定為環(huán)境與生態(tài)科學(xué)研究領(lǐng)域的第二大科學(xué)問題。與此同時，生物可降解塑料作為傳統(tǒng)塑料的替代品受到廣泛關(guān)注[1-2]。歐洲生物塑料協(xié)會（EuropeanBioplastics）的最新數(shù)據(jù)表明，截至2022年，全球生物可降解塑料的產(chǎn)能已達(dá)到179.2 萬t，并預(yù)計到2027年將增長至273.5萬t[3]。作為傳統(tǒng)石油基塑料的替代品，生物可降解塑料在食品包裝、農(nóng)業(yè)和紡織等多個行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，每年陸地系統(tǒng)接收的塑料廢棄物量是海洋的4～23倍[4-6]。這一數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)了對陸地環(huán)境中MPs的環(huán)境歸趨及其生態(tài)影響進(jìn)行研究的緊迫性。生物可降解微塑料（BMPs）在土壤中的降解過程受到土壤類型、微生物群落結(jié)構(gòu)、溫度和含水量等多種因素的限制，無法確保在24個月內(nèi)完全礦化成二氧化碳（CO2）和水（H2O），或被同化成微生物生物量。生物可降解塑料如聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚乳酸（PLA）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS），在土壤中的降解受塑料性質(zhì)、土壤條件等多種因素影響，且可能短期內(nèi)產(chǎn)生更多的BMPs，影響土壤氧氣調(diào)節(jié)、微生物代謝以及物質(zhì)和能量循環(huán)等功能。此外，與傳統(tǒng)塑料相比，生物可降解塑料基質(zhì)可能在短期內(nèi)產(chǎn)生更多的BMPs，從而進(jìn)一步干擾土壤功能，增加環(huán)境風(fēng)險[7]。盡管土壤中微塑料的豐度遠(yuǎn)高于水環(huán)境，但針對土壤中BMPs的吸附和降解等環(huán)境行為的研究相對滯后，且相關(guān)研究主要集中在BMPs 對土壤微生物組成、群落多樣性和豐度的影響[8]。對土壤中BMPs 的環(huán)境行為進(jìn)行系統(tǒng)綜述，有助于全面評估BMPs對土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響，為制定有效的環(huán)境管理措施和政策提供科學(xué)依據(jù)。

土壤有機(jī)碳（SOC）在維持生態(tài)系統(tǒng)的健康和功能中扮演著至關(guān)重要的角色，并且土壤碳循環(huán)的變動對土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及全球氣候變化具有深遠(yuǎn)的影響。BMPs作為一種含碳量超過30%的潛在惰性碳源，通過水解和生物降解過程向土壤中持續(xù)輸入含碳化合物，可能對土壤碳儲量產(chǎn)生積極作用[9]。然而，也有研究表明生物可降解塑料可能會激發(fā)土壤碳代謝，導(dǎo)致SOC 含量降低和溫室氣體排放增加[10-11]。目前，對BMPs影響土壤碳動態(tài)的研究還處于初步階段，對于BMPs的環(huán)境行為及其與土壤功能相互作用的機(jī)制仍需系統(tǒng)性的探索?？紤]到土壤碳循環(huán)中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過程在地球科學(xué)研究中的核心地位，梳理BMPs 對土壤碳循環(huán)影響的研究進(jìn)展對于指導(dǎo)未來研究具有重要意義。因此，本綜述在系統(tǒng)總結(jié)BMPs在土壤中環(huán)境行為的基礎(chǔ)上，特別關(guān)注BMPs降解行為對土壤碳循環(huán)過程的影響機(jī)制，并在回顧現(xiàn)有研究成果的同時，提出了未來的研究方向。

1 土壤中BMPs的環(huán)境行為

1.1 BMPs的吸附行為

由于BMPs 具有較大的比表面積和疏水性等特殊表面性質(zhì)，它們可以作為重金屬和疏水性有機(jī)污染物等持久性環(huán)境污染物的吸附載體。BMPs對重金屬的吸附能力受到多重因素的影響，主要包括聚合物本身的化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境介質(zhì)的pH值、鹽度和金屬陽離子濃度等[12]。一般來說，污染物在非結(jié)晶區(qū)域的吸附由分配作用主導(dǎo)，而靜電作用、疏水作用以及氫鍵在分子排列較為有序的結(jié)晶區(qū)域的吸附過程中起重要作用（圖1）。土壤中的鎘（Cd）、鋅（Zn）、銅（Cu）和鉛（Pb）等重金屬離子可以通過靜電作用或絡(luò)合作用吸附至BMPs表面結(jié)晶區(qū)的等電位點，影響重金屬的遷移和生物有效性[13]。近期研究顯示，與常規(guī)石油基塑料相比，PLA對Cu2+的吸附量達(dá)到1 408 μg·g-1，是聚苯乙烯（PS）的6倍以上。除了重金屬，BMPs已被證實能夠成為有機(jī)污染物的潛在匯，包括多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚、有機(jī)氯農(nóng)藥等[14-15]。疏水性是影響B(tài)MPs 與疏水性有機(jī)物相互作用的關(guān)鍵因素之一。通常，疏水性較強(qiáng)的有機(jī)物更易于吸附在塑料基質(zhì)表面。例如，菲、萘和芘在PS上的吸附量顯著高于泰菌素、磺胺嘧啶和紅霉素，這主要是由于前者的疏水性與后者的親水性[16]。BMPs通常含有較多的含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基和醚基，這些官能團(tuán)增強(qiáng)了BMPs的親水性，并使其能通過靜電吸引、絡(luò)合和氫鍵與環(huán)境污染物形成更強(qiáng)的親和力[17]。例如，PLA對四環(huán)素的吸附量超過聚氯乙烯（PVC）的2倍，這主要是由于PLA和四環(huán)素分子間的靜電作用和氫鍵作用[18]。值得注意的是，吸附在BMPs表面的污染物可能在生物體內(nèi)發(fā)生解吸作用，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)行生物放大，增加生態(tài)系統(tǒng)中污染物的累積風(fēng)險。其次，隨著BMPs的逐漸降解，吸附在其表面的污染物可能會釋放到環(huán)境中，導(dǎo)致這些污染物的生物有效性增加，從而加劇復(fù)合污染的風(fēng)險。

BMPs進(jìn)入土壤環(huán)境后，會因物理化學(xué)作用而經(jīng)歷老化和部分降解過程，顯著改變塑料基質(zhì)的表面化學(xué)性質(zhì)及與污染物之間的相互作用機(jī)制。研究表明，隨著BMPs 在土壤中暴露時間的延長，其表面結(jié)構(gòu)、尺寸、官能團(tuán)和晶體性質(zhì)均會發(fā)生改變，包括碳-碳雙鍵、羧基、醛和羥基等官能團(tuán)的生成，以及結(jié)晶度和表面電位的下降，這些變化最終導(dǎo)致BMPs環(huán)境特性的轉(zhuǎn)變，使其吸附污染物的過程更為復(fù)雜[19]。例如，土壤暴露后，PLA對四環(huán)素的吸附能力提高了88%，而PE提高了15%，這是因為PLA在土壤暴露后表面端的羥基和酯基官能團(tuán)數(shù)量上升，增加了BMPs的親水性[20]。PBAT經(jīng)過機(jī)械、化學(xué)和冷凍老化處理后，比表面積增大，對四環(huán)素的吸附量分別增加了7%、17%和10%[21]。此外，BMPs 還被證實能夠吸附土壤中的有機(jī)成分，如富里酸和腐植酸，進(jìn)而干擾土壤碳循環(huán)過程[22]。BMPs 的高比表面積和活性官能團(tuán)可能促進(jìn)了可溶性有機(jī)物（DOM）的吸附，限制了土壤微生物對不穩(wěn)定碳的利用[23]。總體而言，與傳統(tǒng)MPs 相比，BMPs 的存在會直接影響土壤環(huán)境中有機(jī)碳的分配和遷移，因此未來的研究需要系統(tǒng)地探討B(tài)MPs 的功能化作用及其對土壤的潛在影響。

1.2 BMPs的解吸行為

BMPs與污染物的相互作用不僅包括吸附作用，也涉及隨后的解吸過程，這一過程促進(jìn)了污染物在不同介質(zhì)中的遷移。污染物的解吸行為受多種因素影響，包括BMPs 的類型、形貌特征、表面官能團(tuán)、極性、吸附位點、結(jié)晶度和老化程度。Wang 等[24]發(fā)現(xiàn)聚酰胺6對噻蟲啉的解吸能夠在5 min內(nèi)達(dá)到最大吸附量的90%，而PBAT 對噻蟲啉的解吸呈現(xiàn)逐漸減慢的趨勢，并在24 h后達(dá)到平衡。導(dǎo)致該結(jié)果的原因是聚酰胺6主要通過物理作用吸附噻蟲啉，而PBAT 與噻蟲啉之間的化學(xué)作用會影響其解吸行為。BMPs對污染物的解吸存在滯后性，可能會增加其潛在的環(huán)境風(fēng)險。污染物的種類和特性，以及環(huán)境條件如溫度、pH值和離子強(qiáng)度等，也會對解吸行為產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)偏中性的pH 有利于壬基酚在PLA 上的吸附，同時導(dǎo)致其解吸被抑制[25]。污染物在塑料相的擴(kuò)散速率高于周圍土壤相時會觸發(fā)污染物的脫附，并且脫附程度與吸收劑和吸附劑之間的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)BMPs在土壤環(huán)境中更容易老化，形成的粒徑更小的BMPs，更容易吸附環(huán)境污染物。除此之外，BMPs降解過程中表面增加的含氧官能團(tuán)會通過靜電相互作用、螯合作用和氫鍵作用增強(qiáng)BMPs 與污染物的結(jié)合，導(dǎo)致解吸滯后。例如，PLA 對環(huán)丙沙星的吸附-解吸過程是不可逆的，且老化PLA 對環(huán)丙沙星的解吸率保持在較窄的范圍內(nèi)（17%～26%），表明BMPs可能成為環(huán)境中部分污染物潛在的匯[26]。MPs 表面微生物的定殖過程也對污染物的解吸行為產(chǎn)生影響。Pan 等[27]探究了原始和生物膜附著的BMPs 對Pb2+ 的解吸效果，發(fā)現(xiàn)生物膜附著的PBS的解吸滯后系數(shù)更高，且生物膜導(dǎo)致的高配位離子穩(wěn)定性使解吸過程變得更加困難。BMPs 對污染物的解吸行為是一個復(fù)雜的過程，未來的研究需要進(jìn)一步探索這些相互作用的機(jī)制，以及它們對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的長期影響。

1.3 BMPs 的生物降解行為

在物理磨損、風(fēng)化腐蝕和紫外線輻射等物理及化學(xué)作用下，BMPs會進(jìn)一步發(fā)生老化和破碎，并在土壤微生物的作用下被同化成微生物生物量碳或礦化成CO2、甲烷（CH4）、H2O和氮?dú)獠⑨尫诺江h(huán)境中。BMPs在土壤中的生物降解過程大致可分為4個階段：（1）微生物通過分泌細(xì)胞外黏性物質(zhì)吸附于塑料表面；（2）微生物分泌的水解酶引發(fā)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物鏈斷裂；（3）烴類短鏈通過生物氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為小分子中間產(chǎn)物，如可被微生物吸收的脂肪酸；（4）這些中間小分子進(jìn)一步被微生物同化或代謝，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O[28-29]。BMPs在土壤中的降解過程是受到其自身材質(zhì)、暴露時間以及土壤理化性質(zhì)等諸多因素共同作用的結(jié)果（表1）。通常情況下，相同類型的塑料，粒徑越小比表面積越大，從而增加了其與降解因子的接觸面積，促進(jìn)了BMPs在土壤中的降解。研究表明，相較于200～355 μm 和500～700 μm 的大粒徑BMPs，5～75 μm粒徑的BMPs在土壤中的降解速度更快[30]。研究證實具有天然或類自然結(jié)構(gòu)的聚合物，例如淀粉基和纖維素基聚合物，更易于被微生物利用和降解[10]。而分子量大且化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聚合物，如PBAT，則需要特定的酶來促進(jìn)其降解。Guo 等[31]測試了5 種不同來源的聚酯降解酶對PBAT 的降解效果，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶ICCG 的降解最為高效。結(jié)構(gòu)簡單的短鏈聚合物，如PE 和聚丙烯，不易被生物降解，而那些具有官能團(tuán)和柔性活性位點的BMPs 通常與功能酶的結(jié)合效率更高，因此降解速度更快。此外，土壤環(huán)境因素如pH 值、溫度、濕度和微生物群落對塑料聚合物的降解也起著至關(guān)重要的作用。酸性土壤條件通常會抑制細(xì)菌生長，降低BMPs 的生物降解效率，而中性pH的土壤環(huán)境具有最高的生物降解率[32]。Gong等[33]的研究證實，土壤的含水量會不同程度地影響B(tài)MPs的降解速率，且較干燥的環(huán)境更有利于PLA的降解。BMPs的降解速率與土壤中微生物的活性有密切聯(lián)系。辛熙煒等[34]的研究證明，土壤細(xì)菌（如芽孢桿菌、假單胞菌）、真菌（如青霉）以及土壤土著生物均能參與BMPs 的生物降解過程。在微生物活性高的土壤中，BMPs的降解速度更快，且隨著細(xì)菌生物量的增加而增加。例如，BMPs在微生物活性較高的紅樹林土壤中的降解速率是在水稻土中的3～10 倍[35]。BMPs 的降解行為與其化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境因素密切相關(guān)，并且能夠進(jìn)一步影響和調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)和功能。

1.4 BMPs衍生DOM的釋放行為

BMPs 在老化和降解過程中常伴隨著塑料衍生DOM 的釋放，包括塑料添加劑和塑料單體及低聚物。在生物可降解塑料的生產(chǎn)過程中為了提高其性能，會添加增塑劑、光穩(wěn)定劑、阻燃劑、抗氧化劑、抗菌劑和鏈延伸劑等添加劑。常見的添加劑包括雙酚A、苯二甲酸鹽、壬基酚和溴化阻燃劑[27]。大多數(shù)添加劑是以非成鍵的方式加入塑料中，這些有潛在危害的添加劑在塑料降解過程中會不斷從塑料中浸出，甚至遷移到土壤、地下水以及食物鏈中。研究表明，在PLA、PVC 和聚氨酯等塑料的混懸液中檢測到高濃度的9-十八烯酰胺（降解副產(chǎn)物）、乙酰檸檬酸三丁酯（增塑劑）和丁基羥基甲苯（抗氧化劑）[36]。Wang 等[37]發(fā)現(xiàn)塑料降解過程中共有23 種添加劑在土壤中被檢測到，其中PBAT 釋放的添加劑主要由穩(wěn)定劑和滑爽劑組成，對環(huán)境的負(fù)面作用相對傳統(tǒng)塑料更小。塑料添加劑的濾出可能是BMPs 對環(huán)境生物造成生態(tài)毒理效應(yīng)的主要原因。Kim 等[38]采用生態(tài)毒理學(xué)方法評估了13 種不同的MPs 添加劑對線蟲的影響，發(fā)現(xiàn)MPs的急性毒性主要?dú)w因于可提取的添加劑，并且當(dāng)添加劑被去除后，MPs的毒性效應(yīng)在土壤毒性試驗中消失。除了土壤動物，塑料添加劑也會影響植物的生長和土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。近期的一項研究評估了PE 和PBAT 及其滲濾液對植物發(fā)芽的影響，發(fā)現(xiàn)PBAT相對于PE釋放出的化合物濃度更高，顯著抑制擬南芥萌發(fā)[39]。此外，環(huán)境條件下BMPs 表面微生物的定殖會導(dǎo)致塑料與周圍環(huán)境間新界面的形成，顯著增加塑料中添加劑的釋放，并通過阻隔、吸附和降解等作用影響這些釋放出來的添加劑。除了BMPs 添加劑，BMPs 降解過程中產(chǎn)生的單體和低聚物也是一種重要的塑料衍生DOM。土壤中特定的微生物能夠通過分泌胞外酶來分解聚合物，然后將低分子量的水解產(chǎn)物吸收并利用，并將聚合物碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)或以CO2的形式釋放。例如，Zumstein等[40]采用13C同位素標(biāo)記的方法探究了PBAT在土壤中的生物降解過程，發(fā)現(xiàn)真菌Rhizopus oryzae 和Fusarium solani 能夠有效利用PBAT的衍生有機(jī)物進(jìn)行代謝。進(jìn)一步通過對PBAT 單體進(jìn)行同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，部分Bacteroides、Ichthyobacterium 和Methanosarcina 屬微生物能夠?qū)BAT中的1，4-丁二醇和己二酸單體作為能量物質(zhì)進(jìn)行直接代謝[41]。BMPs在降解過程中的衍生有機(jī)物釋放行為是一個復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響，并可能對環(huán)境和人體健康造成影響。未來的研究需要進(jìn)一步探討塑料衍生DOM的釋放機(jī)制、環(huán)境影響評估以及減少釋放風(fēng)險的策略。

2 BMPs對土壤碳循環(huán)的影響

2.1 BMPs 對SOC存儲和穩(wěn)定性的影響

傳統(tǒng)石油基塑料被認(rèn)為是一種惰性碳材料，有研究者建議將源自塑料基質(zhì)的有機(jī)碳排除在SOC 儲存的考量之外，因為這部分碳與其他有機(jī)碳的來源和功能存在差異[48-49]。相比之下，生物有效性更高的BMPs 主要能夠通過影響功能微生物代謝、改變土壤理化性質(zhì)以及濾出衍生DOM的方式影響土壤的碳代謝過程（圖2）。BMPs 本身是土壤微生物的潛在碳源。研究顯示，PLA 和PBAT 等BMPs 的添加顯著增加了土壤中溶解性有機(jī)碳的含量，其中微生物對BMPs 的降解作用被認(rèn)為是主要因素[50]。薈萃分析進(jìn)一步表明，BMPs 降解過程中衍生的部分有機(jī)物能夠被異養(yǎng)微生物作為碳源利用，促進(jìn)土壤中DOM 含量的增加，并可與其他有機(jī)碳一起參與生物地球化學(xué)循環(huán)[51]。這表明塑料基質(zhì)可以通過釋放DOM 到土壤中來促進(jìn)有機(jī)碳的儲存。其次，BMPs 的加入能夠改變土壤pH、顆粒聚集狀態(tài)和含氧量等基本理化性質(zhì)，進(jìn)而影響DOM 和SOC 的組成與穩(wěn)定性。Shi 等[52]利用平面光電器件觀察O2分布，發(fā)現(xiàn)BMPs的加入使塑料周圍土壤的含氧量提高了27%，有利于好氧微生物對有機(jī)碳的利用。BMPs降解過程中釋放的芳香族化合物促進(jìn)天然有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)物質(zhì)，可能是土壤DOM芳香性和腐殖質(zhì)化增加的原因。DOM腐殖質(zhì)化增強(qiáng)有助于形成更穩(wěn)定的有機(jī)碳，這些碳不易被微生物分解，因此能在土壤中存在更長時間。相比之下，Wang等[45]發(fā)現(xiàn)在土壤中培養(yǎng)PLA 120 d后，作為一種高碳含量的聚合物，生物可降解塑料基質(zhì)在土壤中的降解和老化過程促進(jìn)土壤微生物生物量碳的大量消耗，導(dǎo)致穩(wěn)定有機(jī)碳向生物可利用碳的轉(zhuǎn)化。此外，BMPs生物降解過程中釋放的部分DOM衍生物也能成為微生物的潛在碳源，并被特定功能微生物進(jìn)一步代謝。研究表明，土壤中鄰苯二甲酸二丁酯的存在能夠刺激聚羥基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）表面生物膜和土壤微生物的生長（總細(xì)菌和真菌生物量上升），進(jìn)一步促進(jìn)功能微生物降解復(fù)雜有機(jī)物能力的提升[53]。因此，未來的研究需要進(jìn)一步關(guān)注BMPs這種新型碳源輸入對土壤健康、碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的影響。

2.2 BMPs對土壤CO2和CH4排放的影響

BMPs 的生物降解過程可能會顯著影響土壤中CO2 和CH4 的排放，進(jìn)而對全球碳循環(huán)產(chǎn)生影響。BMPs不僅能夠通過改變土壤理化性質(zhì)和直接參與碳循環(huán)的方式，影響SOC的固存和礦化及其動態(tài)變化，還可以作為額外的碳源，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解，從而增加溫室氣體排放。BMPs對土壤CO2排放的影響與塑料性質(zhì)、添加比例以及土壤性質(zhì)密切相關(guān)（表2）。一項為期4周的土壤培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，與無添加或低濃度MPs相比，添加PBAT顯著增加了土壤CO2的排放量[54]。BMPs在土壤解聚過程中釋放的大量碳質(zhì)底物容易被土壤微生物利用，激活微生物活性，導(dǎo)致SOC 的微生物礦化和CO2 排放的加速。此外，BMPs比土壤顆粒保留的水分更少，可能在塑料周邊形成微氧環(huán)境，這種O2含量的升高也會導(dǎo)致更高的CO2排放率[52]。BMPs及其在降解過程中釋放的中間體、單體和添加劑通常具有豐富的極性基團(tuán)，這些基團(tuán)容易與DOM 結(jié)合，增強(qiáng)DOM 的電子傳遞能力，從而促進(jìn)微生物代謝，刺激DOM 礦化[55-56]。特別是那些尺寸更小、形狀規(guī)則、濃度更高的BMPs，更有利于刺激土壤中CO2的排放。薈萃分析表明，大多數(shù)BMPs類型對全球變暖潛勢有積極影響，是促進(jìn)土壤CO2排放不可忽視的因素[56]。

CH4作為一種強(qiáng)效溫室氣體，在過去的20 a內(nèi)其增溫潛勢約為CO2的84倍[57]。因此，對土壤CH4排放的影響因素的研究受到了廣泛關(guān)注，特別是MPs對這一過程的影響。An等[58]以石油基MPs（PE和PVC）和BMPs（PLA和PBAT）為研究對象，探究了MPs對沿海濕地CH4產(chǎn)生和消耗的影響，結(jié)果表明BMPs相較于石油基MPs更能促進(jìn)CH4的排放。BMPs的類型是影響CH4 排放的重要因素。例如，研究發(fā)現(xiàn)PBAT 和PLA 的添加使CH4排放量分別上升了8倍和179倍，而PBS處理后CH4排放量減少了40%[59]。土壤性質(zhì)也在BMPs污染土壤的CH4排放中起著重要作用。研究表明，在酸性和堿性土壤中引入塑料基質(zhì)可使CH4排放量減少60%，而在中性土壤中影響不顯著[60]。此外，BMPs 還能引發(fā)土壤微生物群落的變化，影響與CH4產(chǎn)生和氧化相關(guān)的微生物功能基因。近期的一項薈萃分析顯示，與傳統(tǒng)MPs相比，BMPs的引入使土壤CH4排放量增加更為顯著，達(dá)到26.6%，且產(chǎn)甲烷菌功能基因mcrA 的拷貝數(shù)增加了41%，超過了甲烷氧化菌功能基因pmoA、mmoX 和mxaF 的拷貝數(shù)[56]。這表明BMPs 能夠顯著促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的增殖和甲烷菌基因拷貝數(shù)的上升，進(jìn)一步對土壤中的CH4排放產(chǎn)生積極的影響。盡管如此，關(guān)于BMPs對土壤CH4動態(tài)影響的研究仍顯不足，其潛在機(jī)制尚不明確。

3 BMPs對土壤微生物的影響

3.1 BMPs對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤細(xì)菌對包括BMPs 在內(nèi)的污染物引起的環(huán)境變化極為敏感，因此，深入理解BMPs 與環(huán)境微生物的相互作用至關(guān)重要。Liu等[63]基于92篇文獻(xiàn)（涵蓋可生物降解和不可降解的MPs）進(jìn)行的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，不同濃度的MPs顯著降低了土壤微生物多樣性，基于Shannon 指數(shù)，其中BMPs 相對于傳統(tǒng)石油基MPs對土壤細(xì)菌的影響更為顯著。例如，BMPs的添加導(dǎo)致土壤厚壁菌門相對豐度顯著增加，而放線桿菌門、變形菌門（尤其是固氮根瘤菌）和酸桿菌門的相對豐度在暴露于BMPs后有所下降[64]。其原因可能是與石油基MPs相比，BMPs更易被土壤微生物作為選擇性碳源，進(jìn)一步通過篩選具有特定功能的分類群來影響土壤微生物的豐富度和多樣性。相對于常規(guī)MPs處理，BMPs處理使土壤中潛在的塑料降解菌屬如鹵單胞菌屬、芽孢桿菌屬以及帕恩桿菌屬的豐度顯著升高[45]。除了細(xì)菌，曲霉屬、鐮刀菌屬以及青霉屬等真菌也能利用BMPs作為碳源[65]。然而與細(xì)菌不同，真菌在生物可降解塑料的影響下顯示出不同的響應(yīng)模式，這可能與它們在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)位和代謝能力有關(guān)。一般來說，細(xì)菌可能更傾向于利用生物可降解塑料作為碳源，而真菌可能更多地參與塑料分解產(chǎn)物的進(jìn)一步降解和土壤有機(jī)質(zhì)的分解[66]。BMPs暴露伴隨著衍生DOM的增加，這可能主要?dú)w因于BMPs水解形成的水溶性低分子量低聚物和土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，已有研究證實高水平的DOM（如PHA降解產(chǎn)生的d-3-羥基丁酸）有助于維持土壤微生物多樣性和種群穩(wěn)定性[67]。理論上，生物降解性越好、粒徑越?。ū缺砻娣e越大）的BMPs更有利于微生物的附著，對土壤微生物群落的影響也就越大[68]。除了BMPs本身的影響，其降解過程中添加劑如鄰苯二甲酸酯和雙酚A等化學(xué)物質(zhì)的濾出也會導(dǎo)致微生物多樣性的減少。據(jù)報道，鄰苯二甲酸二丁酯和聚己二酸丁二醇酯（塑料添加劑）由于具有類似于內(nèi)源芳香胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?xì)菌、古菌和真菌的豐度產(chǎn)生明顯抑制作用，進(jìn)一步干擾土壤的碳循環(huán)過程[69]。BMPs降解的中間產(chǎn)物對微生物的影響同樣不可忽視。研究發(fā)現(xiàn)PLA的降解產(chǎn)物對生物發(fā)光細(xì)菌的毒性最高，其次是聚己內(nèi)酯降解產(chǎn)物己酸和聚乙醇酸降解產(chǎn)物環(huán)己烷二甲醇、1，6-己二醇、季戊四醇二丙酸、季戊四醇等醇類物質(zhì)[70]。目前，關(guān)于BMPs及其降解中間產(chǎn)物對土壤微生物結(jié)構(gòu)的深層次影響在很大程度上仍未被探索。

微生物在BMPs 表面附著并形成了一個特殊的微生物群落，即“塑料際”[71]。由于塑料際的獨(dú)特性質(zhì)，某些功能微生物在此選擇性富集，可能對土壤功能產(chǎn)生潛在影響。Su等[72]利用15N 和13C標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)塑料際是一個被低估的硝化生態(tài)位，其中細(xì)菌介導(dǎo)的硝化活性比周邊土壤高出90%～1 200%。與水生塑料際相比，土壤塑料際的流動性較小，因此，土壤環(huán)境在調(diào)節(jié)塑料際微生物多樣性和生態(tài)功能方面起著重要作用。土壤理化性質(zhì)的改變和塑料際微生物的相互作用促進(jìn)了塑料降解微生物的富集，包括參與養(yǎng)分循環(huán)的微生物。在土壤塑料際中，微生物群落主要由變形菌門、酸桿菌門、厚壁菌門和放線菌門組成，其中放線菌門和變形菌門因包含多種能夠分解復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)的微生物而在塑料際中呈現(xiàn)顯著富集趨勢[73]。近期研究使用PBAT 和PLA 與瑞士阿爾卑斯山土壤（采樣深度0～10 cm）進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)塑料際中可以富集與塑料降解和碳氮循環(huán)相關(guān)的功能基因，如固氮和有機(jī)氮分解相關(guān)的基因[74]。未來的研究需要進(jìn)一步關(guān)注土壤塑料際微生物對土壤功能的影響。

3.2 BMPs對土壤碳循環(huán)相關(guān)功能微生物的影響

微生物功能基因能夠編碼并催化有機(jī)碳循環(huán)的酶，而BMPs可能顯著影響參與土壤碳代謝的微生物功能基因的表達(dá)（表3）。BMPs引起的土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化是其影響土壤微生物功能基因表達(dá)的潛在機(jī)制。土壤中BMPs 的物理存在不僅為微生物提供了新的生態(tài)位，也可能破壞了原有的微生物棲息地，引起微生物群落結(jié)構(gòu)和活動的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)參與土壤碳循環(huán)的微生物功能基因的表達(dá)[74]。此外，BMPs進(jìn)入土壤后還可以改變土壤的理化性質(zhì)，例如含水量、pH值和氧化還原電位，這些變化促進(jìn)了特定微生物類群的生長，進(jìn)而導(dǎo)致微生物功能基因表達(dá)的變化，這是因為不同的微生物類群可能表達(dá)不同的土壤過程相關(guān)基因。例如，PHBV的添加有效促進(jìn)了固氮細(xì)菌和磷溶解細(xì)菌的生長，同時抑制了卡爾文循環(huán)相關(guān)基因（cbbLG 和cbbLR）的豐度，說明了土壤系統(tǒng)碳固定能力的降低[75]。研究顯示，在添加PBAT 后，土壤DOM 含量、碳降解基因豐度（半纖維素：abfA、xylA 和manB；木質(zhì)素：mnp、glx 和lig；幾丁質(zhì)：chiA）和酶活性均與CO2排放速率呈正相關(guān)[76]。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了BMPs 在影響土壤碳循環(huán)方面的關(guān)鍵作用。除了在土壤中，特定微生物的富集使塑料際成為碳循環(huán)相關(guān)功能的代謝熱點。據(jù)研究報道，長時間環(huán)境暴露后，MPs表面主要被擬桿菌門、α-變形菌綱和桿菌綱微生物占據(jù)，其他氨基酸的代謝、其他次級代謝物的生物合成以及糖苷的生物合成和代謝，在塑料際中被過度表達(dá)[45]。鑒于土壤碳循環(huán)在地球化學(xué)中的重要作用，未來的研究應(yīng)深入探討B(tài)MPs與微生物功能基因豐度和土壤碳循環(huán)之間的直接聯(lián)系，全面揭示BMPs在土壤碳循環(huán)中的功能。

3.3 BMPs對土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性的影響

土壤酶活性是衡量微生物活動的關(guān)鍵指標(biāo)，對生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)動態(tài)和養(yǎng)分循環(huán)具有重要影響。BMPs能夠通過提供易于降解的碳源，減少微生物對降解復(fù)雜底物的酶的需求，從而改變土壤中碳的循環(huán)和儲存過程。Song等[80]研究發(fā)現(xiàn)PLA的添加使土壤β-葡萄糖苷酶活性增加了50%，而外切纖維素酶和β-木糖苷酶活性降低或保持不變，這表明BMPs能夠在增強(qiáng)土壤系統(tǒng)有機(jī)物分解的同時抑制復(fù)合碳水化合物分解。BMPs的添加水平是影響土壤功能酶活性的重要因素。Feng等[47]研究發(fā)現(xiàn)所有類型的MPs在0.2%添加水平下對過氧化氫酶活性的影響可以忽略不計。然而，較高水平（2%）PLA、PBS和PHB的引入會使過氧化氫酶活性顯著上升，這歸因于BMPs刺激下的好氧微生物活性增強(qiáng)和塑料基質(zhì)的降解促進(jìn)。BMPs的生物可利用性會影響塑料基質(zhì)在土壤環(huán)境中的水解和微生物的侵蝕速率。通常，生物降解性更高的BMPs對土壤的酶活性影響更顯著。研究表明，相對于常規(guī)MPs，生物有效性更高的PHBV更容易被土壤微生物利用，導(dǎo)致塑料際中特定的微生物生長和代謝速率增加。此外，在塑料際也檢測到更高的β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性，表明高生物有效性的塑料可作為土壤熱點，增強(qiáng)土壤碳和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的潛力[74]。BMPs作為潛在的土壤碳源，其降解對于土壤碳轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物及其代謝產(chǎn)物的影響需要未來進(jìn)一步關(guān)注。

4 結(jié)論及展望

本綜述系統(tǒng)地闡述了BMPs在土壤中的吸附、解吸、生物降解以及DOM衍生物釋放行為，并探討了這些行為與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能之間的深入聯(lián)系，進(jìn)而揭示了BMPs影響土壤碳循環(huán)過程的相關(guān)生物學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，BMPs的物理化學(xué)特性與土壤條件共同決定了其在土壤中的環(huán)境行為。BMPs表面的含氧官能團(tuán)會影響其表面疏水性，進(jìn)而決定BMPs與土壤污染物的相互作用方式。BMPs在土壤中的降解和衍生DOM的釋放行為會干擾土壤中與碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物過程，從而進(jìn)一步影響SOC的穩(wěn)定性及相關(guān)溫室氣體排放。BMPs作為土壤中的潛在碳源，其生物降解性對土壤碳和養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)能力有顯著影響，對土壤碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響不容忽視。

隨著全球環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，生物可降解塑料作為傳統(tǒng)塑料的替代品得到了廣泛關(guān)注。政策導(dǎo)向正推動傳統(tǒng)塑料材料向生物可降解塑料的轉(zhuǎn)型，尤其是生物可降解地膜的推廣。然而，這一轉(zhuǎn)型過程中生物可降解塑料的快速降解特性可能導(dǎo)致短期內(nèi)產(chǎn)生更多的BMPs，增加環(huán)境風(fēng)險。因此，深入研究BMPs的環(huán)境行為和生態(tài)影響，對于評估其作為可持續(xù)解決方案的潛力至關(guān)重要。未來的研究需要關(guān)注塑料際中微生物的多樣性、豐度以及它們在碳循環(huán)中的作用，特別是它們對碳固定和分解相關(guān)功能基因的影響。BMPs及其降解產(chǎn)物可能含有對環(huán)境和人類健康有害的添加劑和單體，這些物質(zhì)的釋放會對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成威脅，尤其是對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。因此，對BMPs的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)及環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行全面評估尤為重要。

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（責(zé)任編輯：李丹）