PLOS Biology: 微塑料对土壤碳循环过程的影响

微塑料(Microplastics, MPs)，即小于5毫米的塑料颗粒，存在于包括陆地生态系统在内的全球环境中。到目前为止，大多数研究都集中在生态毒理学上，研究在受控环境下对土壤生物群性能的影响。随着研究转向更多的生态系统和全球变化的视角，关于土壤生物地球化学循环的问题变得重要起来。微塑料可以通过多种方式影响碳循环，例如，它本身就是碳，可以影响土壤微生物过程、植物生长或凋落物分解。纳米塑料颗粒是微塑料进一步破碎后的副产品，它的研究存在很大的不确定性。要了解微塑料对土壤和陆地生态系统功能的普遍影响，需要做出重大的共同努力；重要的是，这样的研究需要捕捉微塑料在化学、老化、大小和形状方面的巨大多样性。

引言: 微塑料是全球变化的一个因子

环境中的塑料是几十年前从海洋观测中首次报道的一个问题。微塑料(Microplastics, MPs；小于5毫米的塑料碎片）的研究也是从海洋开始的，这可能是因为与土壤等颗粒丰富的环境相比，微塑料在水生系统中更突出，更容易被注意到。

将一茶匙微塑料放入盛有土壤的烧杯中，搅拌，它几乎就“消失”了。此外，由于海滩的清理和海洋垃圾带的发现，公众的注意力最初集中在海洋上。

显然，微塑料是在陆地上作为初级或次级产物，因此也预计会在陆地生态系统的土壤中积累。

虽然我们可以从水生微塑料工作的结果中学到很多东西，但同样清楚的是，尽管有许多相似之处，但对土壤的影响可能与对水生环境的影响截然不同。

最值得注意的是，微塑料似乎干扰了土壤环境本身的结构；通过影响土壤容重和土壤结构组成单元——土壤团聚体的稳定性（图1）。此外，与水生生态系统相比，土壤研究存在独特的挑战，其中一个主要障碍是统一的提取和量化协议。

图1. 微塑料纤维，微塑料在环境中出现的众多形状之一，图中显示出其与土壤团聚体的相互作用。橙色的是聚丙烯纤维，其他丝状物体是土壤真菌的菌丝。在受控实验中，纤维经常被揭示会影响土壤的团聚作用。

我们对微塑料对土壤的影响的认识非常有限——考虑到描述微塑料对土壤影响的第一篇论文是在几年前才出现的，但现在其数量却在迅速增加。研究开始时采用了生态毒理学的方法，重点关注对生物体可能产生的不利影响。到现在，本文作者认为最好将微塑料视为全球变化的一个因子。

为什么?

正如已有文献对全球变化因子的定义：全球变化因子与人类活动有关，影响到生物群，并在全球范围内影响明显。微塑料符合这些条件。虽然可能需要时间来充分认识这一点，但这对目前的微塑料研究是很重要的。原因有三：

1. 实验中的微塑料目标浓度不应仅仅考虑目前的污染水平，而应根据未来的、可能更高的水平来确定。
2. 就像全球变化的其他因素，如CO2浓度升高或气候变暖一样，微塑料的直接影响在名义上可能是积极的。这并不意味着这些影响是可取的；它仅仅意味着某些性能参数(如植物生长)的增加可以发生，但这仍然代表着对自然状态的偏离。
3. 认识到微塑料是全球变化的一个因子，将会使研究重点更多地转向生态系统，有关地球系统的反馈，以及微塑料如何改变陆地生态系统的功能（特别是营养物质和碳循环）等问题变得更加重要。

土壤中碳的处理和储存是一个关键的生态系统功能，本文重点关注这方面的问题。文章遵循碳的路径:从碳进入生态系统开始，无论是作为微塑料碳还是通过净初级生产，然后跟踪凋落物分解的命运，以及微塑料与土壤微生物的相互作用，确定碳在系统中的储存或损失(例如通过呼吸或淋溶)。最后，论文在单独的部分简要讨论了纳米塑料(Nanoplastics，NPs)，预计其影响主要是毒理学性质的。

微塑料本身也是有机碳

微塑料含有大量的碳，通常在80%左右，这使得它们相对于其他全球变化因子来说相当独特。因此，微塑料碳已经存在于我们的土壤中，在大多数情况下，它可能仍然只占土壤有机质碳总量的很小一部分；但对于特定的生态系统，如城市和农业地区，这一情况可能在未来发生变化，因为与植物残体相比，微塑料似乎对微生物分解具有相当的抵抗力。与植物的大量输入相比，微塑料相对较小的年输入可以缓慢转化为长期的碳累积。

目前评估土壤碳的方法中，没有一种能够常规地将土壤有机物碳与微塑料C区分开来；这是令人不安的，因为土壤有机碳的储存是一种生态系统服务，但即使不可否认微塑料C也是有机碳，它的来源和功能与土壤有机碳的其他部分不同，在这种情况下它不应该被 "计算"。

我们应该把这两种有机碳来源分开，但目前还没有常规的方法，因为微塑料定量方法仍在开发和完善之中。微塑料颗粒一旦到达土壤表面，可迅速融入土壤基质。微塑料形成自己的循环，其主要特征是微塑料分解缓慢，并可能流失到其他环境区间，例如通过淋溶到地下水或通过侵蚀到较低的斜坡位置。

图2. 微塑料对陆地生态系统土壤有机碳循环的潜在影响。

植物生长和净初级产量

微塑料可以通过多种不同的机制影响植物生长，这些机制被认为是通过对土壤和土壤生物群的影响间接产生的。这种间接影响的例子是土壤结构和容重的变化，它可以影响根系渗透阻力、持水能力的变化等。

生物可降解塑料可能会导致营养物质的固定，因为这些富含碳的颗粒正在被土壤微生物群落分解。此外，关键的植物共生体，如根定殖的菌根真菌，可能受到微塑料或其对土壤理化性质的影响。

在某些情况下，微塑料对植物生长的影响是积极的，但也有负面影响的报道。这种差异的原因是，在这些不同的研究中，使用了不同的微塑料（包括它们的化学添加剂，其中一些可能是有毒的）、土壤和植物，但尚不清楚这些因素是如何促成观察到的影响的。也不清楚微塑料影响植物生长的主要机制是否被理解。微塑料可能对一个植物群落中的不同植物物种有不同的影响，这可以解释在土壤中添加微塑料纤维后观察到的草地植物群落组成的变化。

微塑料影响凋落物分解

微塑料可通过2种主要机制影响凋落物分解这一主要生态系统过程:

1. 微塑料引起凋落物质量的变化;
2. 微塑料影响分解过程本身。

1. 凋落物质量的变化

通过添加微塑料提高植物性能，可以增加地上和地下的生物量，这些生物量在衰老过程中会变成凋落物。

假设微塑料增加的植物生长与土壤中的养分有效性无关，那么叶面养分含量可能会减少(“稀释效应”)，导致分解速率降低。

具体来说，已知植物凋落物的C:N比值会影响其分解速率。然而，由于微生物活性降低，凋落叶分解较慢，也可能降低土壤有机质中的碳稳定，因为微生物的分解产物是土壤团聚体的主要成分，是与土壤矿物基质形成有机-矿物相互作用的主要成分。

在低质量凋落物的降解过程中，微生物可能会在土壤有机质中挖掘氮，以处理凋落物中的C，从而导致土壤的C损失。

微塑料可能通过稀释分解者可利用的凋落物质量来阻碍分解，这与添加其他缓慢矿化的C的观察结果相似。

养分或水分有效性以及土壤结构和团聚体的变化也可能影响自然生态系统中的植物群落，或可能影响农业系统中的杂草组成。植物组成的这种变化也会改变凋落物的组成及其分解。

微塑料影响植物凋落物质量的另一种潜在方式是通过对微生物群落的影响，包括对丛枝菌根真菌的影响，后者在植物的养分动员以及与分解者的相互作用中发挥着关键作用。在某些情况下，一些微塑料类型增加了丛枝菌根的根系定殖，但这是如何影响植物营养成分或分解者群落的还尚不清楚。

2. 影响分解过程

微塑料改变了重要的土壤理化性质，这些性质是土壤生物群的重要环境参数:土壤团聚体的大小（平均重量直径）、土壤孔隙度（通气性）和持水能力。

在一些情况下观察到微生物群落组成的变化，可能对凋落物分解产生级联效应。微生物活性的变化可能与以下因素有关：

1.土壤理化性质的改变有关；

2.微塑料、其添加物或吸附的污染物的直接毒性作用（在负面影响的情况下）；

3.某些塑料种类提供微生物可利用的有机碳和氮。

微塑料中的碳会引起“启发”效应，即随着营养物质可用性和溶解的有机C的潜在变化而微生物活动增强，但大多数微塑料的高C:N 比也会导致营养物质的固持，从而降低微生物活性。

特定的微塑料类型，如轮胎磨损颗粒，能够改变土壤pH值，对营养物质和重金属的可用性产生影响。

微塑料的存在对在分解中发挥关键作用的土壤生物群有直接影响。将凋落物融入土壤的关键生物是蚯蚓（Lumbricidae）。微塑料可引起蚯蚓皮肤的损伤，增加死亡率，降低蚯蚓的繁殖率，从而减少有机物向更深土层的运输。

蚯蚓是土壤生物群中一个较大的群体，实际可能摄入微塑料颗粒，并在消化过程中可能破碎MP颗粒。在排泄后，这些颗粒会被食物网中的其他土壤生物利用，例如较小的分解者，如微节肢动物。

根际沉积(rhizodeposition)

根际沉积是向土壤输入有机C的一个主要途径，创造了一个微生物活动的热点，即根际(rhizosphere, 直接受根系影响的区域，富含有机C)。

根沉积受到非常广泛的环境因子的影响，从第一性原理来看，几乎可以肯定它将受到土壤中MP的影响。然而，目前还不清楚根际沉积究竟会受到怎样的影响。

根际沉积的有机碳质量或数量的变化将对微生物群落及其功能产生深远影响，特别是有机碳稳定，因为现在认为地下C输入比凋落叶能更有效地封存有机C。

土壤有机碳循环背景下，微塑料与微生物直接相互作用的潜在机制

对于土壤中的微塑料颗粒如何与土壤表面的微生物相互作用，我们知之甚少；在水生环境中，微生物定殖的塑料表面被称为“生态冕”（eco-corona），这对有机碳循环意味着什么我们也不甚清楚。作者为这种相互作用提出了几个可检验的机制性假设；其中一些观点是借鉴自热源性C颗粒的研究。

电化学“电子穿梭”假说

尽管塑料通常倾向于成为不良导体，但微塑料颗粒，特别是风化后，可能具有氧化还原活性的表面官能团（如酮）；特别是在土壤中风化后，能吸引微生物，将它们用作新陈代谢中的电子受体或供体。如果这一过程与生物炭类似，也就是说，如果电子的捐赠/接受比其他有机物更快、更有可能，这使得微生物的新陈代谢更有能量，那么有机碳转化就会改变。这可能会导致分解速度加快和甲烷排放降低。

“微生物挫折”假说

功能复杂性近年来被认为可以增加土壤有机碳的持久性，而这种功能复杂性的一个方面是碳化合物的分子多样性。微塑料可以增加土壤C的分子多样性，通过添加新的聚合物，特别是通过它们所含的广泛的添加物。这可能会使微生物整体上更难处理有机碳。

正负激发效应假说

激发效应是描述碳底物的添加如何影响原生土壤有机碳矿化的机制；如果底物的添加有利于现有土壤有机C的矿化，就会出现正激发效应；反之，就会出现负激发效应。与热源C的研究类似，负激发效应可能是由于稀释、土壤溶解的有机C吸附在塑料表面 (organo–organo persistence hypothesis)，或者最初是由于底物转换，微塑料中容易矿化的有机C优先被代谢掉。正激发效应可能是由于共同代谢；考虑到MP颗粒的持久性，这种影响可能是最小的，但可能是由易代谢的添加物或生物降解塑料所造成的。

纳米塑料

在本文中，作者重点讨论了微塑料。然而，如果微塑料颗粒进一步碎裂，它们可以形成更小的颗粒，最终可能达到纳米颗粒大小(<100 nm)，其行为和效果可能与微塑料不同。

例如，纳米塑料颗粒有可能被植物吸收，这一发现是在水培生长条件下得到的，可能无法直接转移到土壤中。目前在土壤中对纳米塑料颗粒进行量化并不容易，但它们仍然含有碳。

与微塑料更间接的影响相比，纳米塑料的影响可能会转向直接的化学毒性，这一点已经在植物身上得到证实。目前正在开发纳米塑料的分析方法，似乎纳米塑料颗粒确实存在于土壤基质中。

纳米塑料对土壤的影响尚不清楚，因为只有很少的研究，因此目前还不清楚它们如何影响生态系统过程（如土壤C的处理和储存）。然而，微塑料的几种化学效应应该适用于纳米塑料，由于纳米塑料可以被植物和可能的微生物吸收，其生物效应会加剧，而对土壤结构的物理效应可能不那么重要。

结论

微塑料对陆地生态系统具有潜在的普遍影响，例如与土壤碳储存相关的过程。详细研究这些影响将是一项巨大的挑战，因为微塑料颗粒具有令人眼花缭乱的类型(包括大小、形状、与老化有关的改性性和添加物的性质)，它们的影响很可能差别很大。

目前还不清楚生态系统层面实验的后勤要求，如在中宇宙或田间实验中，如何与说明微塑料类型多样性的要求相协调。此外，微塑料与土壤生物群的相互作用机制对这些不同的特性非常敏感。然而，一些关于如何使这一复杂的参数空间有序化的初步想法正在出现，例如对于颗粒形状；其他关键方面也需要这样的假设，以便能够选择具有代表性的、与环境相关的微塑料类型（混合物），用于更大规模的实验。