摘要：作為新興污染物，微塑料的生態(tài)和環(huán)境影響受到廣泛關(guān)注.本文以近十年發(fā)表的文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析和綜述了土壤微塑料與微生物的相互作用關(guān)系.分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)微塑料與微生物存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系，例如微塑料攜帶外源微生物進(jìn)入土壤環(huán)境，并通過(guò)釋放添加劑和吸附物對(duì)土壤微生物產(chǎn)生影響，且微塑料通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)、土壤動(dòng)物腸道微生物和植物根際微生物間接改變土壤微生物，包括改變土壤微生物的生物量、群落結(jié)構(gòu)和功能，此外，土壤微生物對(duì)微塑料的降解也起到了一定的作用.基于這些分析結(jié)果，文章還展望了未來(lái)應(yīng)該深入研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，旨在促進(jìn)土壤微塑料對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和健康影響評(píng)估研究.

　　關(guān)鍵詞：微塑料;土壤;微生物;生態(tài)效應(yīng);降解

　　1引言(Introduction)

　　塑料是人造物質(zhì)中最穩(wěn)定、最難以降解的材料.2019年，全球的塑料生產(chǎn)量為3.68億t，中國(guó)占全世界的31%(PlasticsEurope，2020).全球生產(chǎn)的塑料中只有9%被回收，12%被焚燒，其余79%釋放到環(huán)境中(Geyeretal.，2017).被人類釋放到自然中的塑料，在物理、化學(xué)和生物的作用下不斷破碎變小，小于5mm的塑料碎片被稱為微塑料(Thompsonetal.，2004).

　　早在1972年就有學(xué)者在大西洋水體中發(fā)現(xiàn)了微塑料(Coltonetal.，1974)，但直到2004年才被Thompon等(2004)正式定義，2014年微塑料被聯(lián)合國(guó)環(huán)境署確定為新型污染(UNEP，2014)，成為了生態(tài)和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題.到2021年5月18日，已經(jīng)有6693篇相關(guān)研究論文發(fā)表(數(shù)據(jù)庫(kù)：webofscience核心文集，搜索詞：microplastic*).這些研究證明，在海洋水體(Jambecketal.，2015)、淡水水體(Freietal.，2019)、深海沉積物(Courtene-Jonesetal.，2020)、土壤(Rillig，2012)、大氣(Drisetal.，2016)和極地冰川(Peekeetal.，2018)中都存在大量微塑料.通過(guò)統(tǒng)計(jì)過(guò)去十多年發(fā)表的論文可以發(fā)現(xiàn)，研究主要集中在海洋和淡水水域，對(duì)于土壤中微塑料的研究相對(duì)較少，僅有537篇(數(shù)據(jù)庫(kù)：webofscience核心文集，搜索詞：microplastic*&soil*)。

　　紅色區(qū)域顯示目前土壤微塑料研究的重點(diǎn)之一為其對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響.實(shí)際上，每年釋放進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的微塑料可能是海洋的4~23倍(Hortonetal.，2017)，每年歐洲和北美地區(qū)就有70萬(wàn)t以上的微塑料進(jìn)入土壤(Nizzettoetal.，2016)，農(nóng)田土壤中微塑料的豐度可達(dá)1400個(gè)·kg-(1Huangetal.，2020).微塑料是主體骨架為C的有機(jī)聚合物，為了增強(qiáng)塑料的性能，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)向石油基中添加特定化合物.微塑料作為異質(zhì)性外來(lái)物進(jìn)入土壤基質(zhì)后，可直接向土壤中釋放添加物，參與土壤元素循環(huán)(Liuetal.，2017)，并可在表面吸附有機(jī)物，形成不同于土壤基質(zhì)的微環(huán)境，為微生物提供新生態(tài)位，直接影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)(Huangetal.，2019).

　　微塑料影響土壤微生物群落功能相關(guān)的研究目前較少，有研究表明微塑料使得氮循環(huán)相關(guān)基因nifH、AOBamoA、nirK(Rongetal.，2021)、nifD、nifK(Bryantetal.，2016)的豐度增加.Huang等(2019)將土壤細(xì)菌高通量測(cè)序的數(shù)據(jù)與基因功能系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)庫(kù)KEGG(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)微塑料增強(qiáng)了氨基酸代謝途徑和外源生物降解代謝途徑.進(jìn)入土壤中的微塑料可影響土壤理化特性(deSouzaMachadoetal.，2018;Zhangetal.，2019a)，微塑料極小的粒徑使其容易被土壤動(dòng)物甚至植物攝取，影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)和生理狀態(tài)(Songetal.，2019;Lozanoetal.，2020).土壤理化性質(zhì)、酶活、動(dòng)植物的生理過(guò)程均與土壤微生物有密切的關(guān)聯(lián)，因此微塑料可能通過(guò)直接和間接多種途徑對(duì)土壤微生物產(chǎn)生影響.

　　同時(shí)，微生物是自然界的主要分解者，塑料雖然是人類發(fā)明出來(lái)最難以降解的物質(zhì)，但土壤中的微生物依然在微塑料的破碎和降解過(guò)程中發(fā)揮著作用.通常1g土壤中含有9千萬(wàn)~1億個(gè)細(xì)菌以及20萬(wàn)個(gè)真菌，土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微生物是元素循環(huán)的重要推動(dòng)力，與土壤基質(zhì)、土壤動(dòng)物和植物具有非常緊密的聯(lián)系(Glick，2018)，并且可以降低土壤中有害化學(xué)物質(zhì)的毒性(Turpeinenetal.，1999)，但從微生物的角度探究微塑料對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的相關(guān)研究較少.本文將綜述微塑料對(duì)土壤微生物的影響和微生物對(duì)(微)塑料的作用，為研究微塑料的土壤生態(tài)效應(yīng)以及微生物對(duì)土壤微塑料歸趨的影響提供參考.

　　2微塑料對(duì)土壤環(huán)境微生物的影響(Effectsofmicroplasticsonsoilmicroorganisms)

　　2.1微塑料對(duì)土壤微生物的直接影響

　　微生物傾向于利用能源成本更低的碳源，所以一些研究者認(rèn)為當(dāng)環(huán)境中存在更加容易被利用的碳源時(shí)，微生物不一定會(huì)附著在微塑料表面并對(duì)其進(jìn)行利用，即土壤環(huán)境中微塑料的降解難以發(fā)生(Ngetal.，2018)，但已有研究表明微塑料表面附著了大量微生物.與環(huán)境中的微生物群落相比，微塑料表面微生物與土壤微生物的組成具有顯著差異.如本研究組的工作顯示，低密度聚乙烯(LDPE)微塑料表面與土壤基質(zhì)中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有顯著差異，微塑料表面特異性富集了與聚乙烯(PE)降解有關(guān)的細(xì)菌，例如放線菌門、擬桿菌門和變形菌門，因此微塑料可被視為土壤微生物的特殊棲息地(specialmicrobialaccumulator)(Zhangetal.，2019b).

　　微塑料及其表面附著的物質(zhì)和微生物形成了異于周圍環(huán)境基質(zhì)的微環(huán)境，Zettler等(2015)將其稱為塑料域(plastisphere).有研究者使用微工程芯片(micro-engineeredchips)探測(cè)1μm微塑料與土壤微生物的相互作用，研究顯示細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物等主要土壤微生物均定殖在芯片上，且尺寸較大的微生物對(duì)微塑料的響應(yīng)更加明顯(Mafla-Endaraetal.，2021).微生物在微塑料表面上的附著不是隨機(jī)過(guò)程，而是具有一定規(guī)律的，定殖的初期階段γ-變形菌是優(yōu)勢(shì)菌，定殖12h后α-變形菌是生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌(Leeetal.，2008).

　　影響塑料域微生物群落多樣性的因素主要包括聚合物類型、季節(jié)和地理因素(Amaral-Zettleretal.，2015)，此外，Gong等(2019)發(fā)現(xiàn)微LDPE的表面肌理和疏水性影響了細(xì)菌群落的形成，Cai等(2019)發(fā)現(xiàn)表面肌理是影響微塑料表面微生物聚集的主導(dǎo)因素，微生物在PE和聚氯乙烯(PVC)上的表面附著行為最為明顯.雖然微塑料表面的微生物與土壤基質(zhì)存在顯著性差異，但其在土壤微生物系統(tǒng)中的生態(tài)角色并不完全清楚，已有研究表明微塑料進(jìn)入土壤后的確顯著改變了土壤微生物群落特征.這個(gè)改變主要表現(xiàn)為：①顯著改變了土壤微生物的生物量.如Zang等(2020)研究顯示，PE與聚氯乙烯(PVC)微塑料(1%~20%w/w)導(dǎo)致微生物生物量顯著增加.

　　②顯著改變了土壤微生物群落多樣性.如Ng等(2021)和Huang等(2019)的研究分別顯示，微塑料使得土壤中微生物群落的α和β多樣性指數(shù)顯著降低.③顯著改變了土壤微生物組成.如Ren等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，添加了PE微塑料后土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌從變形菌門(Proteobacteria)轉(zhuǎn)變?yōu)榉啪�菌門(Actinobacteria).微塑料還可能增加土壤中與固氮作用有關(guān)的細(xì)菌豐度(Feietal.，2020).

　　關(guān)于微塑料對(duì)土壤微生物群落功能的影響，目前主要停留在對(duì)土壤酶活水平的研究上，如Awet等(2018)研究發(fā)現(xiàn)向土壤中添加聚苯乙烯(PS)微塑料后，土壤中脫氫酶、亮氨酸氨基肽酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和纖維雙水解酶活性均降低.微塑料在基因?qū)用鎸?duì)土壤微生物群落功能的影響研究很少，目前已有研究結(jié)果表明氮循環(huán)相關(guān)基因nifH、AOBamoA和nirK豐度增加(Rongetal.，2021)，且氨基酸代謝途徑和外源生物降解代謝途徑也得到了增強(qiáng)(Huangetal.，2019).

　　在近海底泥生態(tài)系統(tǒng)中也有類似的結(jié)果，不同種類的微塑料對(duì)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程存在不同的影響，聚氨酯泡沫(PUF)和聚乳酸(PLA)可促進(jìn)硝化和反硝化過(guò)程，而PVC則抑制這兩種過(guò)程(Seeleyetal.，2020).Ng等(2021)研究發(fā)現(xiàn)高濃度LDPE(3%w/w)微塑料提高了土壤好氧和厭氧代謝速率，但低濃度LDPE(0.2%w/w)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)(0.2%w/w和0.4%w/w)對(duì)土壤代謝速率無(wú)顯著影響.雖然相關(guān)研究仍十分欠缺，但綜上可以推測(cè)，長(zhǎng)期存在于土壤中的微塑料，不僅影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，也可能影響其功能.微塑料獨(dú)特的理化性質(zhì)是其能成為微生物棲息地的主要原因.微塑料比表面積大，老化后表面凹凸不平，附著位點(diǎn)多，為微塑料的定殖提供了空間.

　　塑料是由不同石油基聚合長(zhǎng)鏈和多種添加劑共存的復(fù)合物，由不同石油基聚合而成的微塑料含有大量的碳以及多種添加劑，例如雙酚A和壬基酚等抗氧化劑、多溴聯(lián)苯醚等阻燃劑、鄰苯二甲酸酯等增塑劑、鉛化合物等熱穩(wěn)定劑和苯并三唑類等光穩(wěn)定劑(陳蕾等，2021).進(jìn)入土壤的微塑料，常常先暴露于城市污水等富含污染物的環(huán)境，吸附了環(huán)境中的多種污染物(Friasetal.，2010).微塑料本身和表面吸附的有機(jī)物，為可利用該類物質(zhì)的異養(yǎng)微生物提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ).微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境之后，主要通過(guò)2種方式直接影響土壤微生物，改變其生物量、群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能.①微塑料在進(jìn)入土壤之前通常會(huì)接觸多種環(huán)境介質(zhì)，攜帶所接觸環(huán)境中的微生物.

　　微塑料特殊表面以及石油基、添加物和吸附物形成的特殊界面，常常使得微塑料在進(jìn)入土壤前已經(jīng)有大量環(huán)境微生物選擇性附著在其表面，形成了獨(dú)特的微生物群落.例如Mccormick等(2016)采集了城市地表徑流中的微塑料，發(fā)現(xiàn)其表面定殖了與水體環(huán)境中的群落結(jié)構(gòu)具有顯著差異的微生物，表面富集了假單胞菌(Pseudomonas)等與塑料降解有關(guān)的細(xì)菌，以及弓形菌(Arcobacter)等人體腸道病原菌.Wu等(2019)研究發(fā)現(xiàn)，暴露于水環(huán)境后，微塑料表面生物膜富集了兩種人類致病菌：

　　蒙氏假單胞菌(Pseudomonasmonteilii)和椰毒假單胞菌(Pseudomonasmendocina)以及一種植物致病菌：丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)，但在石塊和葉片表面的生物膜中并未發(fā)現(xiàn)上述致病菌.包括致病菌在內(nèi)的多種微生物隨著微塑料通過(guò)多種途徑進(jìn)入土壤，這些微生物有可能在土壤環(huán)境中占據(jù)一定的生態(tài)位并定殖(例如植物性致病菌)，持續(xù)性影響土壤環(huán)境中微生物的群落結(jié)構(gòu);②微塑料通過(guò)降解石油基以及釋放添加物和吸附物的方式參與土壤元素化學(xué)循環(huán)，而微生物在此過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，因此微塑料在土壤環(huán)境中會(huì)特異性富集參與這些元素循環(huán)的微生物，進(jìn)而改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能.

　　雖然土壤微塑料表面富集了與聚合物降解相關(guān)的菌，但研究者一方面認(rèn)為微塑料在自然土壤環(huán)境中無(wú)法完全降解，只能不斷破碎化，微塑料的輸入只不過(guò)增加了土壤中不參與碳循環(huán)的惰性碳含量，另一方面也不排除少量聚合物C在老化過(guò)程中緩慢釋放的可能性，因?yàn)槲⑺芰显谕寥乐械沫h(huán)境行為尚不明確(Rilligetal.，2020).同時(shí)，在微塑料破碎化的過(guò)程中，添加劑會(huì)被釋放，為土壤微生物提供額外碳源，如最普通的塑化劑鄰苯二甲酸酯(DEHP)會(huì)進(jìn)入土壤，顯著降低細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量(張穎等，2015).

　　微塑料吸附的多種污染物例如有機(jī)化合物和抗生素也會(huì)進(jìn)入土壤中，并對(duì)土壤微生物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響. 例如DDT可使寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas)、硝化螺旋菌門(Nitrospira)等細(xì)菌豐度發(fā)生變化(Fangetal.，2018).抗生素在自然界中會(huì)發(fā)生降解，然而有研究表明微塑料可以抑制抗生素的降解，這會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成更大危害(Wangetal.，2019)，Sun等(2018)發(fā)現(xiàn)PS微塑料可降低土壤中四環(huán)素的降解速率，并影響四環(huán)素的生物可利用性，抗生素降解速率和生物可利用性的變化會(huì)改變對(duì)土壤微生物的選擇壓力，進(jìn)而引起微生物群落結(jié)構(gòu)的變化.

　　2.2微塑料對(duì)土壤微生物的間接影響

　　微塑料可通過(guò)改變微生物的生存環(huán)境，間接影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能.微生物按照生存方式可分為兩大類，一類是在自然環(huán)境中自由生存的微生物，例如土壤顆粒表面和孔隙中的微生物;另一類是與其它生物有生態(tài)學(xué)關(guān)系的微生物，典型代表為動(dòng)物腸道微生物和植物根際微生物.微塑料可能通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)、動(dòng)物腸道環(huán)境和植物根際土壤性質(zhì)，間接改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能.

　　2.2.1改變土壤理化性質(zhì)進(jìn)而影響

　　土壤微生物土壤理化性質(zhì)與土壤微生物活動(dòng)密切相關(guān)，微塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變必定改變微生物群落結(jié)構(gòu)和功能(Naveedetal.，2016;Rilligetal.，2017).微塑料進(jìn)入土壤之后，被土壤干濕循環(huán)(O'Connoretal.，2019)、人為土壤管理行為(例如翻耕、灌溉和回收地膜)(Steinmetzetal.，2016)和生物擾動(dòng)(HuertaLwangaetal.，2017)等過(guò)程分散到土壤基質(zhì)中，引起土壤物理性質(zhì)的改變。

　　塑料的密度通常小于土壤礦物，導(dǎo)致土壤容重發(fā)生變化(deSouzaMachadoetal.，2018);與土壤基質(zhì)結(jié)合后，微塑料可通過(guò)建立水分運(yùn)動(dòng)通道，加速土壤水分蒸發(fā)(Wanetal.，2019)，增加水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>2mm)的數(shù)量和大孔隙(>30μm)體積(Zhangetal.，2019a)，進(jìn)而破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤表層干裂化(Wanetal.2019);微塑料引起的土壤孔隙度和土壤濕度的變化會(huì)改變土壤中氧的流動(dòng)，從而改變厭氧和好氧微生物的相對(duì)分布(Ruboletal.，2013).研究表明，土壤團(tuán)聚體的變化是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子(龔鑫，2018)，土壤結(jié)構(gòu)松散可增大微生物的附著面積，使微生物在微塑料表面形成一 層生物膜，建立不同于土壤表面顆粒的以酸桿菌門、綠彎菌門、芽單胞菌門和擬桿菌門為關(guān)鍵物種的細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)(Zhangetal.，2019b).

　　有研究表明PE微塑料能顯著降低土壤pH值(Bootsetal.，2019;Wangetal.，2020)，而土壤pH是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子(Wuetal.，2012).土壤可溶性有機(jī)碳、氮、磷也隨著微塑料添加量的增加而增加(Liuetal.，2017)，DOM是微生物的重要碳源(Marschneretal.，2003)，DOM中蛋白類、糖類、不飽和脂肪酸類、多環(huán)芳烴類、腐殖質(zhì)和腐殖酸等分子濃度發(fā)生變化時(shí)，微生物及其代謝通路會(huì)做出響應(yīng)(Clevelandetal.，2007;Lietal.，2018).

　　微塑料改變土壤理化性質(zhì)的影響因素主要包括聚合物種類、微塑料濃度、暴露時(shí)間、微塑料形狀以及粒徑.例如deSouzaMachado等(2018)研究發(fā)現(xiàn)PS微塑料顯著提高了土壤的持水性，而PA和PE對(duì)土壤持水性無(wú)顯著影響;球狀微塑料對(duì)土壤團(tuán)聚過(guò)程幾乎沒(méi)有影響，但纖維狀微塑料大大增加了大團(tuán)聚體的數(shù)量，導(dǎo)致大孔隙數(shù)量增多;Wan等(2019)研究發(fā)現(xiàn)5mm微塑料可造成土壤表面的干裂，2mm的微塑料對(duì)土壤干裂化無(wú)顯著影響.

　　2.2.2改變土壤動(dòng)物的腸道微生物進(jìn)而影響

　　土壤微生物土壤動(dòng)物腸道微生物含量約為土壤中微生物的2~5倍，對(duì)土壤中的元素循環(huán)和污染物降解轉(zhuǎn)化具有重要作用(晁會(huì)珍等，2020).微塑料通過(guò)蚯蚓、線蟲、跳蟲、彈尾蟲、蝸牛、小鼠等土壤動(dòng)物的攝食行為進(jìn)入動(dòng)物腸道，引起腸道微生物的改變.生態(tài)系統(tǒng)具有級(jí)聯(lián)效應(yīng)(Cascadeeffect)，被改變的土壤動(dòng)物腸道微生物隨著排泄作用進(jìn)入土壤后，對(duì)土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生顯著影響.

　　例如PS和PVC微塑料使得白符跳蟲(Folsomiacand)的腸道微生物群落發(fā)生顯著變化，提高了細(xì)菌群落多樣性，且使得白符跳蟲的腸道微生物與土壤環(huán)境中微生物的異質(zhì)性增強(qiáng)(Zhuetal.，2018b).PS微塑料還改變了蚯蚓腸道菌群中有關(guān)氮循環(huán)和有機(jī)物降解菌群的相對(duì)豐度(Zhuetal.，2018a).使用結(jié)構(gòu)方程模型分析，發(fā)現(xiàn)蚯蚓腸道微生物是通過(guò)影響土壤細(xì)菌和真菌的豐富度來(lái)影響土壤碳氮循環(huán)過(guò)程(Yongetal.，2018).

　　微塑料使得其它土壤動(dòng)物如跳蟲和小鼠腸道微生物多樣性顯著降低(Juetal.，2019)，與N循環(huán)以及有機(jī)物降解相關(guān)的菌群如根瘤菌科、黃桿菌科和等球根菌等相對(duì)豐度降低(Zhuetal.，2018a).土壤動(dòng)物腸道微生物在促進(jìn)土壤中有機(jī)污染物和抗生素等的降解功能以及重金屬的解毒過(guò)程中，發(fā)揮著重要作用(Drakeetal.，2007).

　　例如蚯蚓腸道中存在具有重金屬抗性并有效降低銅、鋅(Biswasetal.，2018)、鉛(Tengetal.，2019)、砷、錳(Goswamietal.，2014)等重金屬毒害作用的內(nèi)生細(xì)菌，以及能夠有效降解硫丹(Vermaetal.，2011)、DDT(Mudziwapasietal.，2016)等有機(jī)污染物的細(xì)菌.赤子愛勝蚓腸道中有22.2%的細(xì)菌可以參與脫鹵過(guò)程，3.7%和1.7%的細(xì)菌可以降解氯酚和萘(Singhetal.，2015).

　　因此，微塑料通過(guò)改變土壤動(dòng)物腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能，最終將顯著影響土壤微生物的功能.基于微塑料影響土壤理化因子的研究，可以推測(cè)微塑料影響動(dòng)物腸道微生物相關(guān)的因素包括微塑料濃度、粒徑、暴露時(shí)間以及聚合物種類，但現(xiàn)階段該方向的研究較少，且每項(xiàng)工作通常僅研究單一暴露時(shí)間或單一聚合物種類對(duì)腸道微生物的影響.因此，需要對(duì)影響腸道微生物的微塑料特性進(jìn)行系統(tǒng)研究.

　　2.2.3改變植物根際微生物

　　植物根際指離植物根軸表面數(shù)毫米范圍之內(nèi)，土壤-根系-微生物相互作用的微區(qū)域(Biasetal.，2006).研究表明微塑料對(duì)根際微生物具有一定的影響，如聚酯纖維顯著增加了小蔥根部的叢枝菌根菌絲定殖量(deSouzaMachadoetal.，2019)，PE微塑料能夠改變叢枝菌根真菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性(Wangetal.，2020)，LDPE微塑料對(duì)豆科植物中根瘤共生有一定的促進(jìn)作用，聚丙烯(PP)微塑料使植物菌根侵染率增加了1.4倍，而PET微塑料處理卻降低了50%(Mengetal.，2021).

　　目前還沒(méi)有關(guān)于微塑料影響植物根際微生物機(jī)制的探討，但根據(jù)根際環(huán)境中土壤-根系-微生物的相互作用可以推測(cè)，微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)和生理的影響以及對(duì)根際環(huán)境土壤理化性質(zhì)的改變，都可能影響到根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能.Conti等(2020)在蘋果、梨、花椰菜、萵筍、胡蘿卜和馬鈴薯中檢測(cè)出了1.51~2.52μm的微塑料，豐度可達(dá)2.6×104~3.1×105個(gè)·g-1.Li等(2020)通過(guò)廢水沙土培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明，尺寸2μm的塑料微粒可以穿透小麥和生菜根系進(jìn)入植物體，并在蒸騰拉力的作用下通過(guò)導(dǎo)管系統(tǒng)在植物體內(nèi)移動(dòng).

　　但目前仍不清楚微塑料進(jìn)入植物體后如何影響植物代謝，是否通過(guò)影響植物光合作用產(chǎn)物和植物根系分泌物的質(zhì)量和組成，進(jìn)而影響根際微生物等等.雖然還沒(méi)有研究專門關(guān)注微塑料對(duì)根際土壤的影響，但根據(jù)上述“微塑料對(duì)土壤微生物直接和間接影響”的信息可以認(rèn)為，滯留在土壤根際區(qū)的微塑料，還有可能通過(guò)富集特殊微生物和改變根際土壤理化性質(zhì)等方式，影響根際土壤微生物群落特征和功能.考慮到根際環(huán)境微生物對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，需要對(duì)農(nóng)田土壤微塑料污染對(duì)植物根際微生物的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，為評(píng)估微塑料污染對(duì)農(nóng)業(yè)和糧食安全的影響提供科學(xué)依據(jù).

　　3微生物對(duì)微塑料的作用(Effectsofmicroorganismsonmicroplastics)

　　3.1微塑料降解菌

　　進(jìn)入環(huán)境的塑料通過(guò)4個(gè)步驟被分解：①生物退化(Bio-deterioration)，在物理、化學(xué)和生物多種因素共同作用下，塑料高分子聚合物發(fā)生斷裂;②解聚作用(Depolymerization)，微生物分泌胞外酶將聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈途畚铩⒍�聚物或單體;③同化作用(Assimilation)，解聚后的分子穿過(guò)微生物質(zhì)膜進(jìn)入胞內(nèi);④礦化作用(Mineralization)，解聚后的分子在胞內(nèi)被代謝轉(zhuǎn)化為CO2、H2O等小分子化合物(Muhonjaetal.，2018).

　　由于研究技術(shù)的限制，有關(guān)塑料降解的研究大多采用的是大片塑料，而非微塑料.但需要說(shuō)明的是，微塑料在生物降解的核心步驟上與大片塑料類似，區(qū)別僅在于生物退化的程度，而與微生物降解相關(guān)的核心步驟是解聚、同化和礦化.因此可以認(rèn)為微塑料的生物降解與大片塑料并無(wú)本質(zhì)差別，以往針對(duì)大片塑料降解分離出的微生物依然適用于微塑料.目前已經(jīng)分離出的可降解塑料的菌株包括了真菌和細(xì)菌，這些菌株大多分離自垃圾填埋場(chǎng)，有少部分來(lái)自海洋、土壤以及昆蟲幼蟲腸道.研究最多的塑料種類為PE、PVC、PP、PET、聚氨酯(PUR)和聚乳酸(PLA)，表1中列舉了目前分離純化出的常溫條件下降解能力最強(qiáng)的單一菌株.

　　不同聚合類型的塑料具有不同的降解菌.降解PE的真菌主要曲霉屬、青霉屬和根霉屬，普遍降解速率是1個(gè)月重量減少10%，Paço等(2017)獲得了一株強(qiáng)降解青霉菌，14d使LDPE的重量降低了56.7%.降解PVC通常采用2株及以上的聯(lián)合菌株，因?yàn)镻VC需要通過(guò)共代謝的方式發(fā)生生物降解.例如在環(huán)氧化紫蘇阿籽油存在的條件下，銅綠假單胞菌Pseudomonasaeruginosa和無(wú)色桿菌Achromobactersp.

　　可以降解PVC(Dasetal.，2012).復(fù)合菌群對(duì)PVC有良好的降解作用，厭氧條件下獲得的海洋微生物群落7個(gè)月可使PVC重量降低11.7%(Giacomuccietal.，2020).純PP的降解較為困難，Shimpi等(2018)采用黑曲霉(Aspergillusniger)和宛氏擬青霉(Paecilomycesvariotii)混合菌株降解純PP和PP/PET/熱塑性淀粉共混物，30d純PP重量?jī)H下降了0.62%，而共混物的重量下降了2.32%.PET和PUR的單菌降解效果較好.PLA是目前較為廣泛使用的一種生物可降解塑料，Nauendorf等(2016)研究發(fā)現(xiàn)PLA表面上附著的好氧和厭氧菌數(shù)量是PE的5倍和8倍.

　　對(duì)傳統(tǒng)石油基塑料與可降解塑料具有降解能力的微生物存在什么區(qū)別還有待研究.有研究者認(rèn)為，微塑料表面附著了具有塑料降解能力的微生物，這使得塑料的疏水性降低，從而更加容易吸附更多的微生物，進(jìn)一步加速降解(Reisseretal.，2014)，但也有學(xué)者認(rèn)為微生物在自然條件下對(duì)傳統(tǒng)石油基微塑料的降解是微乎其微的(Rilligetal.，2020).將PP置于土壤中12個(gè)月，重量?jī)H下降了0.4%(Arkatkaretal.，2009).因此，通過(guò)合成生物學(xué)制造高效降解塑料的工程微生物菌株和微生物組，可能是消化現(xiàn)存于自然環(huán)境中的微塑料的有效技術(shù)手段.

　　3.2微塑料降解機(jī)理

　　塑料按照組成元素和結(jié)構(gòu)分為可水解性塑料(hydrolyzableplastics)和非水解性塑料(non-hydrolyzableplastics).

　　可水解性塑料指C-C骨架中含有官能團(tuán)的高分子聚合物，主要包括PET和PUR，非水解性塑料指CC骨架中完全沒(méi)有官能團(tuán)的高分子聚合物，如PE、PP和PVC.通常認(rèn)為水解性塑料相較于非水解性塑料而言降解難度稍低，但實(shí)際情況較為復(fù)雜，聚合物的結(jié)構(gòu)等也是影響降解難度的重要因素，PET分為結(jié)晶型和無(wú)定形型(Yoshidaetal.，2016)，結(jié)晶型PET的酯鍵位置被其他成分包圍，降解酶難以接觸，因此極難降解，而無(wú)定形型PET相對(duì)而言降解難度較低.PET和PUR通常通過(guò)聚酯水解酶、角質(zhì)酶、脂肪酶和羧酸酯酶的水解來(lái)降解(Barthetal.，2016;Schmidtetal.，2017;Biundoetal.，2018).有研究發(fā)現(xiàn)了一種能夠?qū)�PET分解成對(duì)苯二甲酸(Terephthalicacid，TPA)和乙二醇(Ethyleneglycol，EG)單體的酶(Hanetal.，2017;Jooetal.，2018)，TPA和EG可進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化后進(jìn)入三羧酸循環(huán)(Ronkvistetal.，2009).

　　PUR降解酶多是脂酶、酯酶和蛋白酶，通過(guò)水解氨基甲酸乙酯鍵釋放PUR片段或單體，PUR片段或單體進(jìn)入胞內(nèi)參與三羧酸循環(huán)并最終降解.非水解性塑料致密的C-C骨架使酶難以與基質(zhì)結(jié)合，從而限制了解聚作用.由于酶吸附到聚合物表面的速度低于水解反應(yīng)本身的速度，因此非水解性塑料生物降解的決速步是吸附過(guò)程(Herzogetal.，2006).非水解性塑料的降解過(guò)程主要分為兩步：

　　①將極性基團(tuán)引入碳?xì)涔羌埽�增�?qiáng)微生物對(duì)聚合物表面的附著;②降解氧化的聚合物(Albertssonetal.，1998).只有少數(shù)研究報(bào)告了能夠解聚非水解性塑料以及和降低其分子量的特定酶，其中包括烷烴羥化酶AlkB(Yoonetal.，2012;Jeonetal.，2015)、對(duì)苯二酚過(guò)氧化物酶(Nakamiyaetal.，1997)、漆酶(Santoetal.，2013;Sowmyaetal.，2015)和漆酶介體系統(tǒng)(LMS，laccasemediatorsystem)(Fujisawaetal.，2001).漆酶也與木質(zhì)纖維素的降解有關(guān)，木質(zhì)纖維素是一種疏水性聚合物，含有長(zhǎng)鏈的惰性C–C鍵，結(jié)構(gòu)類似于塑料.雖然已發(fā)現(xiàn)大量與塑料降解有關(guān)的酶，但其催化選擇性以及降解機(jī)理依然需要進(jìn)一步深入研究.目前尚未分離出可實(shí)際應(yīng)用的塑料高效降解酶，不同種類塑料的酶解過(guò)程以及機(jī)理也尚不清楚(Yuanetal.，2020).

　　4土壤中微塑料-微生物的研究展望

　　微塑料可以通過(guò)富集部分微生物、影響土壤理化性質(zhì)、改變土壤動(dòng)物腸道微生物和植物根際微生物的方式來(lái)影響土壤微生物;同時(shí)，微生物是微塑料分解礦化過(guò)程的主要調(diào)控者，決定了土壤中微塑料的歸趨.在研究土壤微塑料和微生物的相互作用方面仍存在諸多挑戰(zhàn).

　　1)目前微塑料對(duì)土壤微生物影響的研究主要集中在微塑料對(duì)土壤微生物結(jié)構(gòu)的影響，然而，土壤微生物在元素地球化學(xué)循環(huán)方面具有十分重要的生態(tài)功能，對(duì)土壤動(dòng)物和植物的生長(zhǎng)繁殖具有重要的支持作用.因此，研究長(zhǎng)期存在于土壤中的微塑料對(duì)土壤微生物的元素循環(huán)和和污染降解等功能的影響，對(duì)于評(píng)估微塑料的生態(tài)效應(yīng)具有重要意義.

　　2)前期研究證明微塑料可通過(guò)直接富集部分微生物，以及通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)、土壤動(dòng)物腸道微生物和植物根際微生物而間接影響土壤微生物結(jié)構(gòu)，但目前仍然很缺乏對(duì)微塑料影響土壤微生物功能的理解，因此需要加強(qiáng)對(duì)功能的研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步系統(tǒng)研究微塑料對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響機(jī)制，以了解微塑料的土壤生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng).微塑料本身是一個(gè)復(fù)雜的體系，只有明確微塑料的影響是來(lái)自石油基、添加劑還是吸附污染物，才能為土壤微塑料的管控措施提供科學(xué)依據(jù).

　　3)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)中微塑料的添加量普遍遠(yuǎn)高于野外實(shí)際含量，個(gè)別研究同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究和田間實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了不一致的結(jié)果(Zhangetal.2019a).微塑料因其難降解性，在土壤環(huán)境中賦存的時(shí)間非常長(zhǎng)，模擬實(shí)驗(yàn)會(huì)受到時(shí)間的限制，通常以提高微塑料濃度來(lái)取代較長(zhǎng)的培養(yǎng)時(shí)間，因此無(wú)法真實(shí)反映環(huán)境中微 塑料對(duì)微生物的影響.野外采樣可以獲取長(zhǎng)時(shí)間含有微塑料的土壤樣品，但影響因素過(guò)多難以控制.因此，需要通過(guò)長(zhǎng)期野外控制實(shí)驗(yàn)，盡可能涵蓋多種土質(zhì)和氣候帶，在不同的研究尺度下探索土壤微塑料污染對(duì)土壤微生物群落結(jié)果和功能的影響，以及微生物對(duì)土壤微塑料歸趨的影響，研究土壤微塑料的生態(tài)效應(yīng).

　　4)自然條件下微塑料在土壤環(huán)境中的降解率極低，使用菌劑或生物酶是一種污染治理方式，但目前研究目前停留在實(shí)驗(yàn)室階段，難以實(shí)際應(yīng)用.土壤中微塑料的豐度很高且在持續(xù)上升，并對(duì)土壤環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了一定的影響，因此需要進(jìn)一步研究微生物降解塑料的機(jī)理以及研發(fā)可實(shí)際推廣的菌劑，為控制微塑料污染提供技術(shù)支持.

　　參考文獻(xiàn)(References)：

　　AlbertssonAC，ErlandssonB，HakkarainenM，etal.1998.

　　Molecularweightchangesandpolymericmatrixchangescorrelatedwiththeformationofdegradationproductsinbiodegradedpolyethylene[J].

　　JournalofEnvironmentalPolymerDegradation,6(4):187-195Amaral-ZettlerL，ZettlerE，SlikasB，etal.2015.

　　ThebiogeographyofthePlastisphere：implicationsforpolicy[J].FrontiersinEcologyandtheEnvironment,13(10):541-546

　　ArkatkarA，ArutchelviJ，BhaduriS，etal.2009.Degradationofunpretreatedandthermallypretreatedpolypropylenebysoilconsortia[J].InternationalBiodeterioration&Biodegradation,63(1):106-111

　　AwetTT，KohlY，MeierF，etal.2018.Effectsofpolystyrenenanoparticlesonthemicrobiotaandfunctionaldiversityofenzymesinsoil[J].EnvironmentalSciencesEurope,30(1):11BarthM，HonakA，OeserT，etal.2016.

　　Adualenzymesystemcomposedofapolyesterhydrolaseandacarboxylesteraseenhancesthebiocatalyticdegradationofpolyethyleneterephthalatefilms[J].BiotechnologyJournal,11:1082-1087BiasHP，WeirTL，PerryLG，etal.2006.

　　Theroleofrootexudatesinrhizosphereinteractionswithplantsandotherorganisms[J].AnnualReviewofPlantBiology,57(1):233-266

　　作者：黃藝1，*，賈薇茜1，李康1，楊云鋒