聚乙烯塑料在土壤中的降解及其对微生物群落组成的影响
土壤是人类生存和发展的基础，是一切植物生长的载体，同时也是各种污染物的最终“营地”。近年来很多研究表明，塑料污染对陆地系统的影响可能比海洋系统更为严重。2021年5月西北农林科技大学在Journal of Hazardous Materials杂志上发表了“Degradation of polyethylene plastic in soil and effects on microbial community composition”一文，探究了塑料降解与土壤微生物群落间的关系，有助于我们进一步认识塑料对土壤生态系统的危害，为认识塑料对土壤功能的生态效应提供科学依据。
塑料充斥着我们生活的方方面面，无论我们在哪里都可以看到塑料制品。而在琳琅满目的塑料种类中，聚乙烯（PE）是应用最为广泛的，例如餐具、打包袋、饮料瓶等等，其都属于聚乙烯塑料。所以，聚乙烯污染也是目前最让人头疼的一大难题。
土壤微生物群落是指在一定体积或面积的土壤中，在非生物和生物因素的综合调控下，由土壤藻类、细菌、病毒、放线菌等组成的一组生物。目前已经有研究表明土壤中的塑料污染比海洋生态系统中的塑料污染更为严重。于是研究者通过盆栽实验，研究不同条件下添加PE薄膜后土壤微生物群落的变化，探讨不同条件下PE在土壤中的降解特性；揭示添加PE薄膜对土壤微生物群落组成的影响；测定土壤PE薄膜上的微生物群落差异。
01
PE薄膜的降解
PE薄膜的重量损失
研究者将预先处理好的PE薄膜埋在不同的土壤条件下（种植小麦、不种植小麦；0-10cm、10-20cm、20-30cm土壤层；50天和100天），通过比较前后PE薄膜的质量（图1），发现随着时间的延长，减重率有明显的提升。随着时间的延长，PE 膜上的微生物种类就越多，因此随着重量的下降，降解的机会就越大。
图1. 不同条件下PE膜降解的失重率
PE薄膜的形态学特征
通过扫描电子显微镜（SEM）观察不同条件下PE薄膜的形态变化，发现相比于原始光滑的PE膜，处理50天和100天后的PE膜表面变得粗糙，出现凹坑、裂纹，形状逐渐缩小等一系列特征（图2），这也进一步说明了PE的降解。
图2. PE薄膜降解的SEM分析
02
FTIR光谱和2D-COS图分析
为了进一步阐明不同条件下PE降解的各种机理和特性，研究者利用红外光谱对PE膜的官能团和结构进行了检测。如图3，在处理100天后在波长为1733 cm-1处出现了微弱的峰，这说明PE 膜上出现了羰基，再次印证了PE 膜的降解。
图3. 在不同处理条件下PE膜的红外光谱（FITR）分析
传统的FITR技术虽然可以观察到降解前后PE薄膜的官能团变化，但是不能考察不同条件下官能团变化的顺序，那么为了进一步阐明了PE薄膜大量官能团变化的顺序和降解过程的机理，本文作者基于一维FTIR光谱信息进行2D- COS分析（图4）。
结果说明PE膜在0~10cm处的降解过程依次为: 969cm-1 (C–H) > 1364cm-1 (末端甲基基团) > 1629cm-1 (C=C) > 3428cm-1 (羟基基团) > 1733cm-1（羰基基团）。
图4. 由3种不同土层(0-10 cm (A和B)、10-20 cm (C和D)和20-30 cm (E和F)) PE薄膜的时变FTIR光谱构建图：红色为正相关，蓝色为负相关；颜色越深，强度越高，正相关或负相关越强
03
聚乙烯薄膜对微生物群落的影响
PE膜对微生物群落丰度和多样性的影响
通过高通量测序对不同处理条件下的土壤及PE薄膜上的微生物种类进行了分析，如图5所示，结果显示不同处理条件下微生物群落是不同的，但核心类群相同。
塑料表面是一种独特的微生物栖息地，其分类成分可能与周围环境或自然基质不同。本文的结果也说明塑料表面可作为微生物在自然环境中定植的新型基质，从而改变生物地球化学过程和生态功能。
图5. 不同处理条件下共同和独特微生物群种类韦恩图
PE薄膜引起的微生物群落组成变化
添加PE膜除了改变土壤微生物多样性和丰富度外，还改变了群落组成。在门水平上，土壤和塑料主要包括变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝藻门(Cyanobacteria)、绿杆菌门(Chloroflexi)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)，这些类群占微生物序列的90%以上（图6）。
图6. A：不同条件下微生物门的平均相对丰度；B：不同条件下微生物的主坐标分析：，x轴和y轴分别用第一和第二坐标轴表示，图中的数值代表群落变化的百分比
此外，研究者通过三元图分析了土层随时间的增加对门水平上微生物群落组成的影响（图7）。结果发现，0-10cm、10-20cm和20-30cm处的核心微生物群落分布不同;放线菌门(Actinobacteriota)和变形菌门(Proteobacteria)在0-10cm和10-20cm处显著富集。此前研究报道，Proteobacteria和Actinobacteria是有机物的主要分解者，占微生物群落的67%。这些结果表明，PE膜对土壤微生物群落组成的影响是由土层决定的。土层不同，微生物分布的种类也有所不同。
图7. 不同条件下微生物群落三元图
总结展望
聚乙烯（PE）在不同条件下（土层、是否种植小麦、孵育时间）具有独特的降解特性，并且可以改变微生物群落的组成。PE膜可能是一种独特的微生物定植基质，可以促进其自身降解，改变生物地球化学过程和土壤生态功能。我们对聚乙烯降解的认识更深刻了，相信在不久的将来研究者们可以突破聚乙烯降解的难题。
供稿：袁英博
编辑：张彤 徐娅 李晓萌
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