细菌群落和碳氮循环在通过还原性土壤消毒处理去除微塑料的过程中，驱动了温室气体排放与抗生素抗性基因之间的权衡

《Aquacultural Engineering》：Bacterial communities and C N cycling drive microplastic-specific trade-off between greenhouse gas emissions and antibiotic resistance genes during reductive soil disinfestation

　　微塑料共存于集约化农业土壤退化中，研究其与还原土壤消毒（RSD）协同作用对温室气体排放及抗生素耐药基因（ARGs）的影响。结果表明：RSD使甲烷（CH?）排放增加12倍，PB（可降解）和PE（不可降解）分别使CH?和CO?排放增加20倍和29%。同时，RSD导致N?O排放增加89%，但PB和PE分别降低该排放29%和17%。关键菌群（梭菌、芽孢杆菌）调控碳氮代谢与ARGs丰度，揭示可降解微塑料在促进温室气体排放的同时抑制ARGs，而传统微塑料则加剧ARGs积累。

　　在现代农业系统中，土壤退化与微塑料污染问题日益严重，成为影响生态系统健康和人类安全的重要因素。微塑料作为一种普遍存在的土壤污染物，其尺寸通常小于5毫米，对土壤的生态功能造成了显著的破坏，并通过食物链传递对人类健康构成潜在威胁。微塑料的积累往往与土壤酸化、盐碱化、土壤病害以及抗生素耐药基因（ARGs）的传播等现象相伴而生。这些土壤退化问题在持续的不可持续农业实践中被进一步加剧，例如过量使用农业化学品、不当的有机物料添加、过度依赖塑料地膜以及连作种植等。在某些高度农业化的地区，微塑料的浓度甚至高达每千克土壤41,741个颗粒，凸显了对微塑料污染和相关土壤退化进行综合风险评估与缓解策略的迫切需求。

微塑料对土壤微生物活动的影响是多方面的，其作用机制与微塑料的类型、浓度以及暴露时间密切相关。一些研究表明，聚乙烯（PE）和聚苯乙烯等传统微塑料可能通过抑制微生物的呼吸作用而减少甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）的排放，但其他研究则发现，某些类型的微塑料如聚乙烯和聚氯乙烯（PVC）能够通过提供微生物栖息地和促进水平基因转移，加速ARGs的传播。相比之下，可生物降解的聚丁烯琥珀酸酯（PB）则因其作为活性碳源的特性，可能促进耐药细菌的生长和繁殖。这些不同的影响表明，微塑料对土壤的碳氮（C-N）循环以及温室气体（GHG）排放具有复杂的作用机制。

在应对土壤退化方面，还原性土壤消毒（RSD）作为一种经济且环保的方法，已被广泛应用于改善多种土壤退化现象，如酸化、盐碱化以及土壤传播病害等。RSD的核心原理是通过引入有机废弃物（如作物秸秆）并创造厌氧条件，例如通过持续的水淹和/或水淹后的土壤覆盖，从而调节土壤的生物和化学循环，提升土壤健康水平。在RSD过程中，微生物群落的结构和功能活动会发生显著变化，其中细菌的数量和活性通常会增加，而真菌则因厌氧环境的限制而减少。具体而言，RSD能够促进专性厌氧菌和兼性厌氧菌（如梭菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属）的增殖，同时显著减少一些专性需氧菌（如候选属、硝化球菌属、红螺菌属）的丰度。这些微生物群落的变化不仅影响土壤的碳氮循环，还可能对ARGs的分布产生深远影响。

研究还发现，RSD能够通过刺激胞外酶活性，促进添加物质的降解，从而推动CO?和CH?的排放。然而，关于RSD过程中氮氧化物（N?O）排放的变化仍存在争议。一方面，一些研究指出，RSD可能通过促进反硝化作用而增加N?O的排放；另一方面，其他研究则表明，硝化作用与反硝化作用之间的权衡可能抑制N?O的排放。这种复杂性进一步表明，土壤微生物群落的变化在调控GHG排放和ARGs分布方面起着关键作用。

本研究通过微宇宙实验，系统探讨了RSD过程中微塑料对土壤细菌群落和C-N循环的影响，以及这些变化如何进一步影响温室气体排放和ARGs的丰度。实验设计包括六种处理：未处理对照（CK）、添加PB或PE的土壤（PB、PE）、秸秆添加并水淹的RSD处理、以及RSD与PB或PE结合的处理（PBRSD、PERSD）。研究结果表明，与CK相比，RSD显著增加了CH?的排放，但对CO?排放无明显影响。而在PBRSD和PERSD处理中，微塑料的存在分别使CH?和CO?的排放增加了20倍和29%。值得注意的是，虽然RSD增加了N?O的排放，但PB和PE的添加在一定程度上缓解了这一趋势，其中PB通过促进微生物的氮同化作用，减少了N?O的排放，而PE则通过抑制反硝化作用，降低了N?O的产生。

此外，RSD显著降低了土壤中ARGs的丰度，从CK中的0.18%降至0.16%。然而，这种减少效应在PBRSD处理中被进一步强化，而在PERSD处理中则被逆转。这一现象表明，微塑料的存在可能通过改变细菌群落的结构和功能，对ARGs的分布产生不同的调控作用。具体而言，PB的添加可能通过促进某些关键细菌类群（如梭菌属、芽孢杆菌属）的增殖，从而增强了对ARGs的抑制作用；而PE的添加则可能通过改变土壤环境，促进ARGs的传播。

研究进一步揭示了关键细菌类群与ARGs以及C-N循环过程之间的密切联系。例如，梭菌属和芽孢杆菌属等细菌的丰度变化与多药耐药基因和氨基糖苷类耐药基因的丰度存在显著的正相关关系，同时与丙酮酸代谢、甲烷生成和反硝化等C-N循环过程密切相关。这表明，在RSD过程中，微塑料对土壤微生物群落的结构和功能的影响是系统性的，不仅涉及GHG排放的调控，还可能通过改变细菌群落的组成和活性，影响ARGs的传播和耐药细菌的生长。

从生态和环境的角度来看，RSD作为一种有效的土壤修复手段，其应用可能面临微塑料污染的挑战。研究结果表明，在RSD过程中，PB和PE对温室气体排放和ARGs分布的影响存在显著的差异。PB的添加虽然提高了温室气体的排放，但有助于降低ARGs的丰度，而PE的添加则抑制了温室气体的排放，但可能促进了ARGs的积累。这种差异可能是由于PB和PE在土壤中对微生物群落的调控机制不同所致。PB作为可生物降解的材料，可能通过提供更多的碳源，促进某些有益微生物的生长，从而增强土壤的修复能力；而PE作为不可降解的材料，可能通过改变土壤的物理化学性质，抑制某些关键微生物的活性，从而影响土壤的碳氮循环。

因此，本研究发现，在RSD过程中，微塑料的类型和特性对土壤的温室气体排放和ARGs分布具有重要的调控作用。这种调控作用可能通过改变土壤微生物群落的结构和功能，进而影响土壤的生态功能和环境效应。PB和PE作为两种不同类型的微塑料，在RSD过程中表现出不同的生态效应，这种差异为未来的土壤管理策略提供了新的视角。在优化RSD应用的同时，需要充分考虑微塑料的类型及其对土壤生态系统的潜在影响，以实现土壤修复与生态风险控制的双重目标。

从实际应用的角度来看，本研究的结果对于制定可持续的土壤管理策略具有重要意义。在农业系统中，微塑料污染与土壤退化往往相伴而生，因此，如何在土壤修复过程中有效控制微塑料污染及其生态影响，成为当前研究的热点。RSD作为一种有效的土壤修复方法，其应用可能需要结合微塑料的类型和特性，以实现最佳的生态效益。例如，在RSD过程中，如果采用PB作为微塑料添加剂，可能在提高温室气体排放的同时，有效降低ARGs的丰度；而如果采用PE，则可能在减少温室气体排放的同时，增加ARGs的传播风险。因此，在实际应用中，需要根据具体的土壤条件和管理目标，选择合适的微塑料类型，并采取相应的措施，以最大限度地减少微塑料对土壤生态系统的负面影响。

此外，研究还强调了土壤碳氮循环与ARGs分布之间的复杂关系。在RSD过程中，土壤的碳氮循环受到微生物活动的显著影响，而这些微生物活动又可能与ARGs的丰度存在相互作用。例如，某些关键的碳氮循环过程（如丙酮酸代谢、甲烷生成和反硝化）可能与ARGs的分布存在正相关关系，表明这些过程在调控ARGs传播方面起着重要作用。因此，在进行土壤修复时，除了关注温室气体的排放，还需要关注土壤碳氮循环的动态变化，以及这些变化如何影响ARGs的传播。

总体而言，本研究通过系统分析RSD过程中微塑料对土壤微生物群落和碳氮循环的影响，揭示了微塑料类型在调控温室气体排放和ARGs分布方面的关键作用。这些发现不仅加深了对微塑料与土壤生态关系的理解，还为制定更加科学和可持续的土壤管理策略提供了重要的理论依据和实践指导。在未来的研究和应用中，应进一步探讨不同微塑料类型对土壤生态系统的具体影响机制，并结合实际农业需求，开发更加高效的土壤修复技术，以实现农业可持续发展与生态环境保护的双重目标。