【他山之石】南开大学刘维涛团队:从碳排放和溶解性有机质稳定性的角度来看种植可以增强土壤对微塑料的抵抗力

学术   2024-12-06 18:03   北京  

文章信息

第一作者:王琦

通讯作者:刘维涛 教授,周启星 教授
通讯单位:南开大学
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c07189

亮点

相比未种植土壤,种植土壤在微塑料暴露下对DOM分子组成扰动更小;

根际效应可以降低MPs引起的CO2排放;

MPs刺激了未种植土壤中微生物的发酵过程,增强了种植土壤中微生物的光合自养活性。

研究进展

图1 图文摘要
长期暴露在农业活动中的农田生态系统不可避免地受到微塑料(MPs)的污染。MPs会通过促进土壤中有机物的分解,从而对农田生态系统中的碳封存和碳平衡产生不利影响。与未种植的土壤相比,土壤中植物根系分泌物可以招募更多不同的微生物,同时增强系统稳定性。然而,根系分泌物与微塑料以及土壤微生物之间的相互作用对土壤碳命运的贡献和机制仍不清楚。据此,我们构建了种植樱桃萝卜的土壤系统和未种植的土壤系统,使其各暴露于3种典型的不可生物降解的微塑料 (PSMPs, PEMPs, PPMPs),从土壤DOM分子特性,微生物组成,代谢扰动等方面系统探究了根际效应在MPs-DOM-微生物相互作用下维持生态系统稳定性中的关键作用,这为预测生态系统在暴露于污染物时的抵抗力及恢复力提供了理论基础(图1)。

图2 MPs对DOM转化的影响
为了确定根际效应对MPs介导的土壤碳排放的影响,分析了未种植和种植土壤系统中的总CO2排放水平(图2)。MPs处理大大增加了土壤CO2排放。种植土壤的碳矿化量高于未种植的土壤,但它们受MPs的影响较小。土壤的C/N 与CO2排放在未种植土壤中呈正相关,而在种植土壤中呈负相关。β-GC是碳水化合物降解的关键酶,在种植土壤中, MPs调控微生物对有机质的降解转向其他路径,而不是β-葡萄糖苷的水解。未种植土壤和种植土壤之间的氧化酶活性存在差异响应。在未种植的土壤中,MPs诱导PPO活性增加,但未显著影响POD活性,微生物对芳香族化合物或其他多酚的利用和转化增强,导致微生物群落结构的潜在重组。然而,在种植土壤中,MPs推动了POD活性的显著增加,植物与微生物与环境压力的相互作用有助于通过促进过氧化氢和其他过氧化物转化为危害较小的物质来解毒ROS。

图3 MPs对土壤DOM 分子组成的影响
我们利用FT-ICR-MS根据m/z值(100-800 Da)测量DOM化合物,根据van Krevelen图的分析显示,MPs 处理下DOM分子数和分子强度降低,环境压力可以刺激受污染环境中特定微生物群落茁壮成长。这些微生物会优先利用某些类型的有机物,从而导致DOM化合物的多样性降低。如图3i-j所示,木质素样化合物和蛋白质/氨基糖是DOM中最普遍的分子。在未种植的土壤和种植的土壤中,MPs处理导致木质素分子均低于对照,这表明植物生物聚合物降解减少,因此木质素样分子对腐植酸的输入减少。值得注意的是,以高分子量和结构复杂性为特征的稳定性DOM富含羧基的脂环族分子,CRAM,0.3≤DBE/C≤0.68、0.2≤DBE/H≤0.95、0.77≤ DBE/O≤1.75)在MPs处理下降低。MPs显著影响土壤DOM组成和降解过程,同时加速稳定DOM的降解 (降解速率:未种植土壤>种植土壤)。DOM 稳定性降低会导致CO2排放从而促进土壤激发效应的增强。

图4 MPs对土壤DOM生化性质的影响
如图4所示,MPs导致DOM的紫外吸收强度降低(降低程度:未种植土壤 > 种植土壤)。通常,随着复杂分子降解为更简单的形式,它们吸收紫外线的能力会减弱。MPs促进了较高芳香度和分子量的DOM的微生物转化为较小分子量的DOM,这是MPs导致腐殖化程度降低的原因。MPs导致未种植土壤和种植土壤中的SUVA254 和 E3/E4降低,SUVA260和E2/E3降低,表示DOM和养分的结合能力下降。因此,我们进一步确定了土壤 pH、Eh以及养分水平,结果表明MPs显著诱导更高的pH值和更低的Eh,并降低养分(Mn、Cu、Zn和Fe)水平。营养元素的生物利用度有限可能导致土壤中酶和微生物活性降低。PARAFAC分析确定了MPs在未种植土壤中诱导了更高的微生物多糖(组分 2)和更低的黄腐酸(组分 4),这表明微生物更喜欢将有机物转化为微生物多糖而不是黄腐酸。在种植土壤中,MPs导致酪氨酸/色氨酸蛋白(组分 3)和黄腐酸(组分 4)减少。这些结果进一步强调了MPs诱导腐殖化降低和植物参与的差异响应。

图5 MPs对土壤微生物群落的影响
MPs显著扰动了未种植土壤微生物群落多样性(图5)。随着细菌群落适应,土壤优势物种发生了变化。MPs 在未种植土壤和种植土壤中都抑制了非甲烷烃降解、芳烃降解、几丁质分解和碳氢化合物降解,表明与碳氢化合物降解相关的微生物的活性降低。值得注意的是,在未种植的土壤中,MPs诱导发酵和尿素分解过程的上调,与发酵和尿素分解相关的细菌导致CO2排放增加。在种植土壤中,光合自养功能上调,化学异养功能下调。光合自养细菌利用光能将CO2转化为有机化合物,有助于土壤碳封存。光合自养可能是种植土壤对MP 具有更强抵抗力的关键策略。通过使用相关网络分析发现MPs扰乱了微生物网络的复杂性。MPs导致未种植土壤的平均度和密度增加,而种植土壤减少。在植物-土壤-微生物系统中,MPs限制了根际微生物的养分可用性。MPs加剧了微生物之间的竞争,导致网络密度降低。Pearson相关分析显示,未种植土壤和种植土壤中分别有13个和5个门与DOM成分显著相关,4个和2个门分别与 CO2排放显著相关。未种植的土壤中微生物门和DOM分子之间的大多数负相互作用。而在种植的土壤中,正相互作用与负相互作用一样多,表现更高的稳定性。

图6 MPs对土壤代谢组的扰动
通过偏最小二乘判别分析(PLS-DA)和t检验鉴定了土壤差异代谢物(图6)。在未种植的土壤中,MPs显著增加了甘油的水平并下调了部分脂质和脂肪酸,干扰了部分烷烃、碳水化合物(如麦芽糖和果糖)和小分子酸(如 3,4-二甲基苯甲酸)水平。在种植土壤中,MPs诱导甘露醇、松醇和山梨醇水平降低,表明微生物活性的降低并抑制植物生长和养分吸收。此外,一些次生代谢物水平显著提高,这有助于维持土壤生态系统的稳定性。
这项研究表明,MPs扰乱了土壤DOM的分子组成,导致木质素样化合物显著减少,这种扰动加剧了养分流失,降低了土壤腐殖化。此外,MPs诱导微生物群落α多样性降低,微生物代谢在控制CO2排放方面起着关键作用,MPs促进微生物发酵和尿素分解过程,从而增加了CO2排放。然而,在根际效应下,MPs诱导了微生物光合自养过程的显著上调,同时导致 MPs 驱动的CO2排放降低。本研究强调了植物与微生物相互作用在抵抗污染物和维持系统稳定性方面的重要性。

作者介绍

周启星,博士,二级教授,博导,南开大学碳中和交叉科学中心主任,环境科学与工程学院学术委员会主任、院长(曾任),教授,博士生导师。国务院第八届学科评议组成员,教育部科技委环境学部委员。国家杰出青年科学基金获得者,长江学者特聘教授,中国科学院百人计划入选者。主要从事环境地球科学(包括污染土水环境修复、生态地球化学、生态毒理与环境基准/标准等)研究。在PNASNature CatalysisNature Water、中国科学和科学通报等期刊共发表学术论文700余篇,其中第一/通讯作者SCI收录350余篇;主编或共主编著作和教材10余部。以第1完成人,获天津市自然科学特等奖、教育部自然科学一等奖和中国青年科技奖等奖项20余项。Journal of Hazardous MaterialsLand Degradation & DevelopmentFrontiers of Environmental Science & Engineering等学术期刊的编委。

通讯邮箱zhouqx@nankai.edu.cn


刘维涛博士,南开大学环境科学与工程学院教授,博士生导师。天津市第一批生态环境青年科技人才,天津市生态环境局土壤污染防治专家。主要研究方向为污染环境生态修复与食品安全、新型污染物的环境行为及生态毒性等。以第一作者或通讯作者名义发表SCI论文50余篇,H指数33ESI高被引论文9篇。主持/参与国家重大研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等课题10余项。作为主要完成人,获得省部级奖项5项,编著/参编专著6部,授权国家发明专利5件。现任中国自然资源学会资源循环利用专业委员会副秘书长,EI期刊《中国环境科学》中青年编委、SCI期刊Land Degradation & DevelopmentPlant Physiology and BiochemistryApplied Soil Ecology等特刊编辑。

通讯邮箱lwt@nankai.edu.cn

王琦南开大学环境科学与工程学院2021级环境科学专业博士研究生。主要研究方向:土壤碳循环,生态毒理与生态修复。目前以第一作者在Environmental Science & TechnologySCI期刊发表论文6篇。

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