近日，四川大学田永强教授在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Effects of biodegradable (PBAT/PLA) and conventional (LDPE) mulch film residues on bacterial communities and metabolic functions in different agricultural soils”的研究论文。研究揭示了3个不同农业区土壤中细菌群落、代谢物和代谢功能对地膜残留物的响应模式，研究结果为可降解塑料地膜在不同地区的推广应用提供了理论依据。
土壤健康是可持续农业和粮食生产的一个重要方面，需要关注与大量地膜残留物相关的生态风险。在实际使用过程中，可生物降解地膜（BDM）与低密度聚乙烯（LDPE）地膜具有相同的地膜残留风险。需要更多的信息来阐明地膜残留物对土壤环境的具体影响。结合16S rRNA基因测序和非靶向代谢组学，本研究揭示了3个不同农业区土壤中细菌群落、代谢物和代谢功能对地膜残留物的响应模式。LDPE地膜残留物对黑龙江（HLJ）和云南（YN）土壤细菌群落产生负面影响，对HLJ、YN和新疆（XJ）土壤代谢谱的影响较小。BDM残留物对3种土壤的细菌群落和代谢谱均有较大的负面影响。BDM残留物对HLJ、YN和XJ土壤的影响依次增加。建议在推广使用可生物降解的地膜时，应考虑到当地的土壤特性，进行更全面的评估。
低密度聚乙烯（LDPE）地膜具有较强的抗穿刺性、不透水性和机械拉伸性，是农业中主要使用的地膜。然而，LDPE地膜在作物收获后难以回收，其中很大一部分作为地膜残留物留在土壤中。地膜残留物可以通过影响土壤孔隙度、空气循环和水分迁移来改变土壤结构。土壤结构的改变会破坏土壤微环境，导致微生物群落和土壤代谢功能变化。可生物降解地膜（BDM）是传统塑料地膜的可行替代品，可以由微生物、植物或化石燃料材料衍生的聚合物生产。目前，已经证明BDM在保温、保水、杂草控制、作物产量等农艺特性方面与LDPE地膜相当。然而，在实际使用时，BDM往往持续存在较长的时间，其降解效果受环境因素的影响较大。因此，BDM也面临着地膜残留物堆积的环境风险。此外，与传统的塑料地膜相比，BDM的降解特性使其更有可能产生可生物降解的微塑料，并在更短的时间内释放添加剂。因此，BDM对土壤生态系统的长期影响存在很大的不确定性，需要更多的研究来证明BDM在土壤中广泛使用是安全的。
土壤微生物群落和代谢功能对土壤生物地球化学循环和作物生产至关重要。多项研究证实，LDPE地膜和BDM残留物均能显著影响土壤微生物、代谢物和代谢功能。然而，这些影响是复杂的，容易受到气候、地膜类型、土壤类型、浓度和暴露时间等因素的干扰而无法得出一致的结论。需要更多的信息来阐明影响的具体机制，并澄清地膜残留物的生态风险。本研究从中国3个重要农业生产基地的耕地中收集了3种理化性质差异较大的土壤作为试验土。选择LDPE地膜和PBAT/PLA基可降解地膜进行评估。结合16S rRNA基因测序和非靶向代谢组学，揭示了3种类型土壤中细菌群落、代谢物和代谢功能对地膜残留物的响应模式。
经过 BDM 和 PE 地膜残留物处理后，三种土壤中的细菌群落结构都发生了变化。在门水平上，在 HLJ、YN和XJ土壤中，与对照组相比BDM处理导致Proteobacteria增加，Actinobacteriota、Chloroflexi和Patescibacteria减少，而PE处理导致Bacteroidota增加Acidobacteriota和Gemmatimonadota减少。PE处理导致HLJ和YN土壤中Verrucomicrobiota和Myxococcota减少。XJ土壤的BDM和PE处理组的Thermoplasmatota和Crenarchaeota均增加。BDM处理导致XJ土壤细菌群落结构变化最大。在属水平上，在HLJ、YN和XJ土壤中，与对照相比，BDM处理导致TM7a和Ramlibacter增加，而Escherichia-Shigella和MND1减少。PE处理导致Sphingomonas、Lactobacillus、TM7a和Ramlibacter增加，而Escherichia-Shigella、MND1和Haliangium减少。在XJ土壤的BDM处理中，Hydrogenophaga表现出明显地增加。在之前的研究中都有证明这些微生物门或者属对塑料敏感，其中有部分微生物有降解塑料的潜力。
总体来看，HLJ和YN土壤中细菌群落的Chao1、Shannon和Simpson指数在处理组和对照组之间差异不显著，但对照组略高于BDM和PE处理组。在XJ土壤中，PE处理组的多样性指数大于对照组，其次是BDM处理组。BDM处理降低了HLJ、YN和XJ土壤的细菌α多样性。PE处理降低了HLJ和YN土壤的细菌α多样性，但增加了XJ土壤的细菌α多样性。
在HLJ土壤中，对照组和两种处理组在图中的位置分离程度不高。在YN和XJ土壤中，对照组和两种处理组在同一时期内明显分离，且分离程度随处理时间的增加而增加。与对照组的细菌群落相比，BDM处理比PE处理表现出更大的相异性。XJ土壤的样品之间分离程度更高，表明地膜残留物对其整个细菌群落的影响更大。这表明整个土壤细菌群落受到土壤类型、覆盖类型和与覆盖膜接触时间的影响。
土壤微生物经常形成复杂的共生网络，以抵抗外来物质的干扰。构建微生物共生网络，探讨地膜残留物对细菌共生模式的影响（图4）。结果表明，LDPE地膜和BDM残留物均使得HLJ、YN和XJ土壤细菌共生网络的拓扑结构特征发生了变化。如表1所示，在3种土壤中，BDM和PE处理均使得共生网络的边数、平均度数和图密度增加，网络直径减小。这表明，两种地膜残留物的添加增加了3种土壤中细菌共生网络的复杂性。PE处理在HLJ和YN土壤中形成了比BDM处理更复杂的网络，而XJ土壤则相反。此外，PE处理增加了节点数量和平均聚类系数，降低了3种土壤共生网络的模块化程度和模块数量。BDM处理减少了YN和XJ土壤共生网络的模块数量。这表明PE处理可以降低3种土壤中共生网络的稳定性，而BDM处理可以降低YN和XJ土壤中共生网络的稳定性。
图5：对照和两种处理的LEfSe分析结果。将来自同一处理的所有样品合并。
基于不同分类水平下差异最大的原理，采用LEfSe筛选对地膜残留物敏感的细菌种群。如图5所示，在HLJ、YN和XJ土壤中分别鉴定出19、46和67个生物标志物。综合3种土壤中筛选得到的生物标志物，发现BDM处理促进了Ramlibacter和Bradyrhizobium的繁殖，PE处理促进了Sphingomonas的繁殖。
图 6：代谢物分类和占比（a）、不同处理中代谢物的OPLS-DA评分图（b）和代谢物聚类热图（c）。
为了确定土壤微生物代谢活动如何响应地膜残留物，使用代谢组学分析了72个土壤样品。如图6（a）所示，共鉴定出1520种化合物，其中874种化合物可以被分类。可分类的化合物主要为脂质和类脂质分子（34.10%）、有机酸及其衍生物（18.54%）、有机杂环类化合物（15.33%）、苯类化合物（10.87%）、苯丙素类化合物和聚酮类（7.21%）、有机氧化合物（5.95%）、核苷、核苷酸和类似物（5.15%）。采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）方法分析不同处理间代谢物的差异。如图6（b）所示，在3个土壤样品中，CK和PE处理聚集在一起，而BDM处理明显分开。从所有样品的总代谢物聚类热图中也可以看出，CK和PE处理在代谢物组成上更为接近，而BDM处理则有较大差异（图6（b））。这表明BDM残留物在降解过程中对土壤代谢物的干扰较大，而PE地膜残留物的干扰相对较小。
筛选两种处理和对照组之间的差异代谢物，以确定影响整体代谢谱的特定代谢物。如图7所示，与对照相比，BDM处理分别使HLJ、YN和XJ土壤中226、305和424个代谢物发生显著变化，分别占总代谢物的14.87%、20.13%和27.89%。这些变化主要发生在脂质和类脂质分子、有机酸及其衍生物、有机杂环类化合物、苯类化合物、苯丙素类化合物和聚酮类化合物中。PE处理分别使HLJ、YN和XJ土壤中47种、27种和18种代谢物发生显著变化，分别占总代谢物的3.09%、1.78%和1.18%。这些差异代谢物主要为脂质和类脂质分子。在3种土壤中，BDM处理影响的差异代谢物数量均超过PE处理，表明BDM处理对土壤代谢谱的影响更大。BDM处理对HLJ、YN和XJ土壤代谢谱的影响依次增加，PE处理的影响依次降低。
图 8.KEGG通路富集分析的气泡图，在对照组和治疗组之间有显著差异。
对差异代谢物进行KEGG通路富集分析，研究其来源及其对土壤功能的潜在影响（图8）。总体而言，BDM处理共影响了3种土壤的15条代谢通路、8条生物系统通路、4条细胞过程通路、3条人类疾病通路和1条环境信息处理通路。这些代谢通路主要与氨基酸代谢、化学结构转化、脂质代谢、细胞生长和死亡、核苷酸代谢和内分泌系统代谢相关。PE处理主要影响7条代谢通路、6条生物系统通路和1条人类疾病通路，主要与辅因子和维生素的代谢以及化学结构转化相关。
为了研究受地膜残留物影响的细菌和代谢物之间的相关性，采用Spearman算法构建了相关性网络（图9）。网络分析结果表明特定微生物与代谢物高度相关。其中，Ramlibacter和Bradyrhizobium与网络中大多数差异代谢物呈负相关，MND1和TM7a与某些差异代谢物呈正相关。这表明这些微生物可能在地膜残留物的降解中起关键作用，并且是导致土壤代谢谱改变的关键微生物。
总体而言，LDPE地膜残留物对HLJ和YN土壤中的细菌群落产生负面影响，对3种土壤代谢谱的影响较小。BDM残留物对HLJ、YN和XJ土壤的细菌群落和代谢谱均产生较大的负面影响。建议在推广使用BDM时，应结合当地的土壤特性进行更全面的评估。
