近日，中国科学院东北地理与农业生态研究所于泳研究员团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Freeze-thaw aged polyethylene and polypropylene microplastics alter enzyme activity and microbial community composition in soil”和“Freeze-thaw aging increases the toxicity of microplastics to earthworms and enriches pollutant-degrading microbial genera”的研究论文。该研究聚焦于冻融老化的微塑料对土壤及土壤动物的毒性效应，明确了冻融老化的微塑料对土壤理化性质和微生物群落结构的影响，揭示了冻融老化微塑料对蚯蚓的毒性作用机制。研究结果为寒冷地区微塑料对土壤生态系统的潜在危害提供了新的见解。
在寒冷地区，土壤中的微塑料（MPs）会经历冻融（FT）老化过程。关于FT老化的MPs如何影响土壤理化性质和微生物群落及其对土壤无脊椎动物的毒性效应尚不清楚。因此，该研究将两种环境相关浓度（50和500 mg/kg）的50和500 µm聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）MPs在土壤中进行了45天的FT循环（FTC）处理。FTC结束后将蚯蚓暴露于含有FT老化MPs土壤中培养28天。研究结果表明，经过FTC处理后，MPs的表面形态、疏水性和结晶度发生了变化。50 µm PE组的土壤脲酶（SUE）活性降低了19.66%，而500 µm PE和PP组的SUE活性分别增加了21.16%和37.73%。所有FT老化的MPs均增加了细菌共现网络的复杂性。与原始的50 µm PE MPs相比，FT 50 µm PE MPs使蚯蚓体内的活性氧（ROS）显著增加，而FT 500 µm PE MPs使ROS显著减少。FT老化的PE和PP MPs对蚯蚓造成了更严重的组织损伤。暴露于FT老化MPs的蚯蚓肠道能富集具有不同污染物降解能力的微生物属。FT PE MPs通过上调脂质和类脂分子来影响膜转运，而FT PP MPs通过下调有机杂环化合物来改变外源生物的生物降解和代谢。该研究为寒冷地区FTC老化后的MPs对土壤生态系统的潜在危害提供了新的见解。
2021年中国农膜的使用量高达235.8万吨，覆盖的作物面积逾1.7亿公顷。然而，土壤中残留的地膜可以通过机械摩擦、紫外线照射和生物降解为微塑料（MPs），每年约有100万亿个MPs通过农膜途径进入到土壤生态系统中。这些MPs广泛分布于土壤中，不仅改变土壤理化性质，还会对土壤生物产生毒性，土壤动物会将MPs作为食物摄入进而对其造成负面影响，包括生理和肠道损伤，以及阻碍其生长和繁殖。MPs在实际环境中会经历光降解、机械磨损、化学和生物老化等过程。目前，关于老化MPs对土壤无脊椎动物影响的研究主要集中在紫外线（UV）老化方面。在中高纬地区，土壤中的MPs会经历FTC过程。FTC是指由于温度变化导致的土壤反复冻融过程。然而，MPs在低温冻融条件下的老化特性及其对土壤的毒性效应的研究方面尚显不足。为了评估MPs对实际环境造成的风险，迫切需要研究环境老化的MPs对土壤生态系统的影响。
与原始MPs相比，FT老化后的50和500 μm的PE和PP MPs表面粗糙，并出现皱纹、裂纹和颗粒脱落。FTC老化后的50 µm PE MPs的接触角显著降低了16.3%，而500 µm PE MPs的接触角显著增加了12.9%。这表明粒径较小的PE MPs亲水性增加，粒径较大的PE MPs疏水性增加。与原始的50 µm PE MPs相比，FTC老化后PE MPs的结晶度显著降低。老化后50 µm PE MPs在1650 cm-1处检测到新的峰，为乙烯基的形成。
经过45天的FTC处理后，暴露于50 μm PE-L和PE-H的土壤中UE活性显著降低了12.76%和18.80%，而500 μm PE-H和PP-H组显著升高了22.45%和39.14%。这可能与FTC老化后50 µm PE的比表面积减小以及500 µm PE和PP的比表面积增大有关。老化MPs的比表面积和表面粗糙度的增加促进了微生物在其表面定植形成生物膜，影响微生物的生长和代谢，从而可能进一步刺激土壤UE活性。
为了应对MPs的干扰，土壤中微生物会形成复杂的网络。该研究结果表明，MPs暴露的土壤中共现网络的拓扑特征与对照组存在显著差异。总体而言，暴露于不同剂量和大小的PE和PP MPs会干扰细菌群落的网络复杂性。这可能是由于暴露于MPs后土壤中碳含量的增加。土壤微生物网络的复杂性与碳降解功能潜力和异养呼吸的刺激密切相关。
通过16S KEGG PICRUSt预测分析，对暴露于FTC老化45天的MPs的土壤样本进行了功能含量评估。与对照组相比，所有MPs暴露组在细胞过程中的其他次生代谢的生物合成均下调，与PE MPs组相比，PP MPs组的细胞生长和死亡、遗传信息处理、膜转运、聚糖生物合成和代谢以及脂质代谢均显著下调。MPs释放的增塑剂会干扰土壤遗传信息，加速微生物对糖的吸收和代谢。
FT 50 μm PP H组的蚯蚓体内ROS含量最高，显著高于对照组。这可以归因于FT老化的50 μm PP MPs的粗糙度、皱纹、凹坑的出现以及颗粒脱落。MPs物理化学性质的变化会导致蚯蚓体内产生更多的ROS。与原始PP MPs相比，FT PP MPs使MDA含量显著提高了46.75-110.21%。FT 500 μm PP MPs H组蚯蚓的MDA含量最高，表明暴露于FT老化的PP MPs会对蚯蚓造成更严重的毒性。
随机森林模型分析显示，暴露于原始和FT老化MPs组之间的蚯蚓肠道细菌类群存在显著差异。与原始的50 µm PE MPs相比，Novibacillus和Chryseobacterium是暴露于FT 50 µm PE MPs后蚯蚓肠道中独特的微生物属，其是具有降解农药能力和多环芳烃的属。Dyadobacter和Bosea是FT 50 µm PP MPs特有的微生物属，具有降解有毒和氯化有机污染物和阿莫西林的能力。总体而言，与暴露于原始MPs的蚯蚓相比，暴露于FT老化的PE和PP MPs的蚯蚓富含更多与肠道污染物降解相关的微生物。
基于KEGG数据库的功能分析发现FT老化的PE MPs组蚯蚓的膜转运、氨基酸生物合成、硫苷生物合成、氨酰tRNA生物合成和矿物质吸收发生了变化。FT 50 µm PE MPs通过上调蚯蚓体内与脂质和类脂分子相关的代谢物来影响膜转运过程，并通过下调碳水化合物来影响硫代葡萄糖苷的生物合成，此外还通过改变氨基酸和肽化合物来影响氨基酸代谢。与原始的500 μm PP MPs相比，FT 500 µm PP MPs组通过调节蚯蚓体内的苯和有机杂环化合物来影响外源生物的生物降解和代谢。这与上述结果一致，即500 µm PP MPs组中蚯蚓的肠道微生物生物标志物显示出降解MPs的潜力。
与原始MPs相比，FT老化的PE和PP MPs组蚯蚓的苯丙氨酸水平降低。暴露于老化FT MPs的蚯蚓苯丙氨酸水平的降低是FT老化MPs毒性增加导致蚯蚓能量需求变化的结果。蚯蚓需要更多的能量来应对MPs胁迫。蚯蚓可以增加蛋白质的分解代谢，从而消耗更多的氨基酸，如苯丙氨酸。苯丙氨酸可以通过酶促反应转化为三羧酸循环的底物，以补充能量生产。在老化的MPs的胁迫下，这种转化过程变得更加活跃，导致苯丙氨酸水平降低。
FTC老化后，MPs的表面形态和疏水性发生了变化，结晶度降低。小粒径PE MPs抑制UE活动，大粒径PE和PP MPs刺激UE活动。FTC老化的MPs显著增加了细菌群落共生网络的复杂性。FT老化加剧了小粒径PE MPs对蚯蚓的氧化应激，但缓解了大粒径PE MPs对蚯蚓的氧化应激。FT老化的PP MPs比原始PP MPs对蚯蚓造成更严重的氧化应激和膜损伤。尽管FT PP MPs组引起了蚯蚓的肠道炎症，但它们富集了具有塑料降解能力的不同微生物属。FT老化的500 µm PE MPs对能量代谢的影响最为严重，并通过调节氨基酸代谢帮助蚯蚓补充能量储备。该研究结果表明，FTC可以改变MPs的理化性质，改变土壤酶活性，破坏微生物群落和功能，FT老化的MPs比原始MPs对蚯蚓造成的毒性更大，对寒冷地区的土壤生态系统造成潜在风险。
