土壤特性与聚合物类型交互作用揭示塑料际反硝化细菌富集模式及其对N2O排放的驱动机制

本研究系统揭示了不同微塑料（MPs）聚合物类型与土壤特性对塑料际（plastisphere）反硝化功能微生物富集规律的交互影响，首次明确塑料际可作为稻田土壤N2O排放的潜在热点。研究发现聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）塑料际更易富集氮循环功能基因（如narG、nirK），且在强酸性土壤中微塑料可作为微生物避难所显著提升反硝化速率（最高达1.04×10-4 mg N L-1 h-1），为土壤氮素转化过程提供了新认知。

Highlight

塑料际显著富集反硝化细菌并促进N_{2O生成，其富集程度受土壤特性与微塑料聚合物类型共同调控。}

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Soils and microplastics

本研究选用浙江省三种母质发育的稻田土壤（铁铝土、海相冲积物和太湖沉积物），其关键理化性质见表1。其中金华酸性土壤（pH 4.7）的溶解性有机碳（DOC）与硝酸盐（NO₃^-）比值最高，为研究塑料际微生物提供了理想环境。

Three-dimensional structure of the biofilm

共聚焦显微镜显示微塑料表面生物膜主要由活细菌（绿色荧光）和胞外聚合物（蓝色荧光）构成。在培养130天后，蓝色荧光强度显著增加，表明胞外物质持续积累（图1）。至160天时，所有微塑料类型均形成成熟生物膜，但荧光强度无显著聚合物类型差异。

Enrichment of nitrogen functional genes in relation to microplastic type and soil properties

尽管聚氯乙烯（PVC）微塑料表面生物膜最厚，但其塑料际的氮功能基因富集度最低。相反，聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）塑料际展现出更丰富的氮功能基因多样性（图2）。在低硝酸盐浓度、高DOC/NO₃^-比的土壤中，塑料际特异性富集硝酸盐还原酶基因（narG）。脱氯单胞菌（Dechloromonas）和假单胞菌（Pseudomonas）等反硝化菌在塑料际的丰度显著高于土壤本体。

Conclusion

本研究通过埋藏培养实验首次证实：塑料际通过富集narG型反硝化菌群（群落多样性降低但种间互作增强），显著提升稻田土壤反硝化潜力。微塑料聚合物类型与土壤特性的交互作用共同决定了塑料际的反硝化功能强度。

Environmental Implication

塑料际作为反硝化菌的微生境避难所，其驱动的N_{2O排放效应需纳入稻田温室气体评估体系。}