该研究评估了环境相关浓度（0.2-0.5%）的聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）微塑料对八种农业土壤N₂O排放的影响，首次证明生物可降解微塑料对N₂O的影响很大程度上取决于土壤质地。
生物可降解塑料作为应对塑料污染的解决方案，其全球产能持续增长，但在风化过程中会产生微塑料（MPs）并进入农业土壤。这些生物可降解MPs与土壤微生物群相互作用，可能干扰氮循环等生物地球化学过程，进而影响温室气体N₂O排放。然而，现有研究关于生物可降解MPs对N₂O排放的影响存在矛盾结果，部分研究发现其促进排放，另一些则观察到抑制作用，导致风险评估存在争议。土壤性质（如质地、pH、通气性等）的异质性被认为是调控这一过程的关键因素，但目前对土壤参数如何介导生物可降解MPs与氮循环微生物相互作用的机制尚不明确，且多数研究使用商业塑料产品，可能受添加剂干扰，缺乏纯聚合物的系统研究。因此，亟需探究纯生物可降解MPs（如广泛使用的PBAT）在不同土壤条件下对N₂O排放的影响及调控机制，以准确评估其环境风险。
研究采集了中国不同地区的八种农业土壤（0-20 cm），包括株洲（ZZ）、鹰潭（YT）、南京（NJ1、NJ2）、扬州（YZ）、徐州（XZ）、滁州（CZ）和济宁（JN），并对NJ土壤进行pH调整得到NJ2。使用的PBAT微塑料由BASF生产，经清洗、干燥和UV灭菌，其形态为不规则形状，粒径分布20-90 μm（平均值52 μm），重均分子量24382 g mol⁻¹。实验设计包括对照（无PBAT）、0.2% PBAT和0.5% PBAT三个处理，每个处理三次重复。将50 g（干重）土壤与微塑料充分混合后置于150 mL血清瓶中，补充硫酸铵和硝酸钾使所有土壤中铵态氮和硝态氮分别达到106 mg kg⁻¹和48 mg kg⁻¹，在25°C黑暗培养箱中培养20天，期间保持土壤水分在60%持水量（WHC），分别在第1、5、10、15和20天进行N₂O测量。采用气相色谱（GC7890A）分析N₂O和CO₂浓度，通过TOC分析仪测定土壤溶解有机碳（DOC），使用紫外可见分光光度计测定NH₄⁺-N和NO₃⁻-N，采用氯化物抑制法和乙炔抑制法分别测定潜在硝化速率（PNR）和反硝化速率，利用FastDNA® Spin Kit提取土壤DNA，通过定量PCR（qPCR）测定nirK和nosZ（nosZ II）功能基因丰度，并在Illumina MiSeq PE300平台进行高通量扩增子测序分析nirK型反硝化群落组成。数据采用Origin 2021绘图，SPSS 26.0进行统计分析，包括Student’s t检验、单因素方差分析（ANOVA）及Tukey检验，Pearson或Spearman相关系数分析N₂O排放变化与土壤性质的关系，典范对应分析（CCA）和网络分析用于群落-环境关系分析，p < 0.05为差异显著。
N₂O排放速率和累积排放量在不同土壤中表现出较大差异，且高浓度（0.5%）PBAT的影响强于低浓度（0.2%）。与对照相比，0.5% PBAT显著增加了五种土壤（NJ1、YZ、NJ2、XZ和JN）的累积N₂O排放，增幅为96.8-294.1%（p < 0.05）；显著降低了两种土壤（ZZ和YT）的累积N₂O排放，降幅为37.6-46.2%（p < 0.05）；对一种土壤（CZ）无显著影响（p > 0.05）。0.2% PBAT对累积N₂O的显著影响主要体现在两种土壤（NJ2和XZ）中。XZ和JN土壤中PBAT微塑料导致N₂O排放增加量最高，分别为275.0 μgN kg⁻¹和275.2 μgN kg⁻¹。碱性土壤通常比酸性土壤排放更多的N₂O，但N₂O排放响应模式与初始土壤pH值无关。
图 1. 八种土壤在不添加（对照组）、添加 0.2% 与 0.5% 聚己二酸 / 对苯二甲酸丁二醇酯微塑料条件下的氧化亚氮累积排放量。
土壤黏粒含量在决定N₂O排放对生物可降解微塑料响应中的重要作用
累积N₂O排放变化（0.5% PBAT与对照的响应比）与土壤黏粒含量呈强负相关（r = -0.909，p < 0.01），与土壤砂粒含量呈正相关（r = 0.857，p < 0.01），与初始pH、总碳（TC）、总氮（TN）、铵态氮和硝态氮等其他土壤理化性质无显著相关性（p > 0.05）。总体而言，PBAT微塑料在低黏粒含量（<19%）土壤中促进N₂O排放，在高黏粒含量（>25%）土壤中抑制N₂O排放，在中等黏粒含量（19.9%）土壤中影响不显著。通过调整JN土壤黏粒含量（从9.8%增至27.7%）和YT土壤黏粒含量（从29.3%降至20.5%）的补充实验，进一步证实了黏粒含量是决定因素。在不同水分条件（60% WHC和90% WHC）和不同分子量（43859 g mol⁻¹）的PBAT微塑料下，土壤质地依赖效应依然存在。
图 2 土壤质地与累积氧化亚氮对 PBAT 的响应比（0.5% PBAT 组：对照组比值）之间的相关性
通过与传统PE微塑料和更高分子量（76197 g mol⁻¹）PBAT微塑料的比较，发现本研究中使用的PBAT微塑料（MW = 24382 g mol⁻¹）促进JN土壤N₂O排放主要是由于其降解而非颗粒本身。PBAT在YZ、YT和XZ土壤中显著增加了DOC含量，在所有八种土壤中均发生降解（降解程度15-23%），CO₂和N₂O排放速率的影响在早期阶段比后期更显著。延长培养至70天，YT土壤N₂O排放仍受抑制，XZ土壤仍受促进，表明PBAT微塑料影响的方向在25°C下相对稳定。
PBAT微塑料在所有土壤中对有效氮含量（铵态氮和硝态氮之和）均表现出剂量依赖性的负效应。总体上，PBAT微塑料抑制硝化活性（降低PNR），促进反硝化活性（增加反硝化速率和亚硝酸还原酶活性）。在JN土壤中，0.5% PBAT显著降低PNR、反硝化速率和亚硝酸还原酶活性，但通过补充3天的实验发现，PBAT在早期通过刺激反硝化活性增加N₂O排放，后期DOC含量下降可能导致反硝化活性受抑制。
图 4 培养 20 天时，PBAT 微塑料对八种土壤潜在硝化速率 (a)、反硝化速率 (b) 及亚硝酸盐还原酶活性 (c) 的影响。
PBAT微塑料显著增加了除NJ1土壤外所有土壤的nirK基因丰度，显著增加了八种土壤中七种的nosZ基因丰度。在黏粒含量最高的ZZ和YT土壤中，nosZ基因丰度增加最高（分别为对照的6.3和13.6倍），且YT土壤中nirK/nosZ比值显著降低，N₂O还原能力显著提高。累积N₂O排放与黏粒含量呈强负相关（r = -0.76，p < 0.001），与硝酸还原酶（r = 0.83，p < 0.001）、反硝化速率（r = 0.70，p < 0.01）、nirK丰度（r = 0.69，p < 0.01）、DOC（r = 0.69，p < 0.05）和nosZ丰度（r = 0.50，p < 0.05）呈正相关。
图 5. 八种土壤培养第 20 天时，nirK 基因 (a)、nosZ 基因 (b) 的丰度变化及 nirK/nosZ 比值 (c)
高黏粒含量土壤中特定反硝化菌对PBAT微塑料的不同响应
nirK型反硝化群落的物种丰富度和Shannon多样性指数在部分土壤中因PBAT添加而降低，群落结构在酸性与碱性土壤、高黏粒与低黏粒土壤之间存在明显分离。CCA分析表明pH（r = 0.9806）和黏粒含量（r = 0.8165）与nirK群落结构相关性最强（p < 0.05）。在PBAT促进N₂O排放的土壤中，主要刺激了Nitrobacter、Sinorhizobium和Pararhizobium等属；在高黏粒含量且PBAT抑制N₂O排放的ZZ和YT土壤中，Bradyrhizobium的相对丰度从对照的46.3-51.5%增加到0.5% PBAT处理的74.5-93.0%（p < 0.05）。网络分析显示累积N₂O与Bradyrhizobium丰度呈负相关，与Sinorhizobium丰度呈正相关
图 6 第 20 天时，PBAT 微塑料对土壤 nirK 型反硝化微生物的多样性 (a)、群落结构 (b)、群落组成 (c) 的影响
本研究通过对八种农业土壤的系统研究，发现土壤质地是决定PBAT微塑料对N₂O排放影响方向和程度的关键因素。在高黏粒含量土壤中，PBAT微塑料可能通过降解形成更严格的厌氧微环境，促进更完全的反硝化（NO₃⁻→N₂O→N₂），从而减少N₂O排放；而在低黏粒含量土壤中，PBAT微塑料降解释放的易降解碳刺激异养反硝化菌，增加nirK基因丰度和反硝化速率，导致N₂O排放增加。不同质地的土壤拥有不同的nirK反硝化群落，其在微塑料影响下的响应可能共同决定N₂O排放的变化。这些发现为理解生物可降解微塑料如何改变土壤N₂O排放提供了新的见解，强调了在相关研究中报告土壤质地（尤其是黏粒含量）信息的必要性，有助于更准确地评估生物可降解微塑料在农业土壤中的环境风险。
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