（来源：生态修复网）
图1 图文摘要
01
概述
微塑料与镉是当今农业环境中普遍存在的污染物，对农业生产和人类健康构成潜在威胁。然而，它们在多元化的农田生态系统中如何相互作用、共同影响镉的迁移与生物累积机制，目前仍缺乏系统性、机理化的研究。尤其是在现实农田中，土壤动物、植物和土壤微生物构成了复杂而动态的物质循环网络，不同类型的微塑料（如传统微塑料与可降解微塑料）可能会在这一网络中表现出截然不同的作用模式，这直接关系到农业环境风险评估与污染控制策略的制定。
基于这一科学问题，本研究构建了一个模拟农田的土壤-蚯蚓-生菜体系，系统评估了传统与可降解微塑料对镉迁移与生物累积的影响，并结合根际生态学与多组学分析，探讨其潜在作用机制。结果表明，高剂量(2%)传统微塑料显著促进镉在生菜和蚯蚓体内积累，使生菜地上部镉浓度上升54.1%，蚯蚓体内增加79.9%。相比之下，高剂量可降解微塑料在一定程度上抑制了镉进入生菜。进一步分析发现，微塑料会改变土壤 pH 值、有机质含量及可利用镉水平，从而影响镉的迁移行为。传统微塑料还提高了Dyadobacter 和 Streptomyces 等微生物的丰度，这些菌群与生物体内镉积累呈显著正相关。代谢组学结果显示，传统微塑料暴露显著富集了与有机酸（如硫辛酸、氨基酸和脂肪酸）合成相关的代谢途径，这可能增强了土壤中镉的活性。值得注意的是，尽管可降解微塑料能够一定程度降低生菜镉含量，但仍会增加蚯蚓体内镉积累，这或与蚯蚓的摄食行为及肠道消化过程有关。本研究在模拟农田的多层级生物体系中比较了传统与可降解微塑料对镉迁移的差异性影响，并揭示了微塑料通过改变土壤理化性质-微生物群落结构-代谢产物来调控重金属迁移的潜在机制。这不仅为科学评估农田中微塑料与重金属复合污染风险提供了新的视角，也为制定更精细化的农业污染防控措施提供了理论依据。同时，研究结果提醒我们，在推广可降解塑料的过程中，仍需谨慎评估其可能带来的生态风险。
02
主要结果
对生菜和蚯蚓的影响
高剂量(2%)传统微塑料使生菜地上部产量分别下降18.2%和15.5%，同时叶绿素含量显著降低。相比之下，可降解微塑料对生菜产量影响不大，这可能与其降低了生菜对镉的吸收，从而缓解镉毒害有关。生菜中镉的积累差异尤为明显：传统微塑料使地上部和根的镉含量分别增加54.1%和66.0%；而可降解微塑料则使地上部和根的镉含量分别下降30.3%和26.9%。此外，两种微塑料都会显著降低蚯蚓的生物量，揭示出微塑料对蚯蚓健康的潜在威胁。同时，两种微塑料类型都增加了蚯蚓体内镉的含量，其中传统微塑料增加79.9%，可降解微塑料增加23.8%。
图2 不同微塑料暴露对生菜和蚯蚓的生物量及镉累积的影响
对土壤性质和酶活性的影响
两种微塑料对土壤 pH 均无显著影响，但与传统微塑料相比，可降解微塑料处理能够显著提高土壤 pH。高剂量的传统和可降解微塑料均能增加土壤有机质含量，其中可降解微塑料的效果更为明显。传统微塑料显著提升了酸性磷酸酶活性；而可降解微塑料则降低了过氧化氢酶、尿酶和蔗糖酶活性。此外，高剂量传统微塑料显著增加了土壤可利用镉含量，而可降解微塑料处理导致土壤可利用镉含量下降。
图3 (a) 结构方程模型揭示不同因素对生菜地上部的镉含量的影响。(b) 随机森林分析显示了这些因素影响镉积累的重要性排名。
对土壤微生物和代谢物的影响
两种微塑料均显著降低了土壤细菌的α多样性，并诱导优势菌门 Bacteroidota 和 Firmicutes 的富集。其中，在传统微塑料处理条件下，Firmicutes 的增加更为突出，其代表菌属如 Bacillus 和 Clostridium 具有较强的重金属耐受能力。同时，传统微塑料还促进了Dyadobacter和Streptomyces的增殖，而这两类菌属的增加与生物体内镉的累积呈显著正相关。相反，Acidobacteriota、Planctomycetota 等功能菌群在微塑料处理后显著减少，表明微塑料会重塑土壤微生物群落结构，并在此过程中影响镉的迁移与生物累积。
在代谢层面，两种微塑料均显著改变了土壤代谢物组成，大多数差异代谢物在处理后浓度显著升高。尤其在传统微塑料作用下，与硫辛酸、氨基酸和脂肪酸合成相关的代谢途径得到显著增强，其中硫辛酸代谢通路的变化最为明显。微生物-代谢物联合分析结果显示，硫辛酸与主要土壤功能菌缺乏显著相关性，说明其主要来源并非土壤微生物，而是植物根系的分泌物。作为一种植物信号分子，硫辛酸能够调节能量代谢、缓解氧化胁迫，从而提升植物对重金属胁迫的抗性。简言之，微塑料，尤其是传统微塑料，会通过调节“土壤微生物-代谢物”网络，重塑镉的迁移与转化路径，并可能对土壤养分循环与生态健康产生长期潜在影响。
综上所述，微塑料可通过改变土壤性质、微生物群落结构及代谢网络，进而影响镉的迁移与生物累积。传统微塑料会显著促进镉在生菜和蚯蚓中积累，加速其在食物链中的迁移，对农业生态构成潜在威胁。而看似更安全的可降解微塑料，尽管其在一定程度上减少了植物中镉的积累，但它仍能显著促进镉由土壤向蚯蚓的迁移，意味着其依然存在不可忽视的生态风险。本研究为深入理解微塑料与重金属在农田生态系统中的相互作用机制提供了新的科学依据，同时为农业管理及污染风险评估提供了重要参考。
该研究以“Differential impacts of conventional and biodegradable microplastics on cadmium transfer in a soil-earthworm-lettuce system”为题发表于国际期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry。博士研究生陈立为论文第一作者，方临川教授为通讯作者。团队何浩然博士、崔庆亮博士、博士生邱天逸、博士生常楠参与了此项工作。共同作者还包括维也纳大学李涛博士、香港理工大学李长超博士、中国科学院山地所邴海健研究员以及康涅狄格州农业试验站Jason C. White教授。该研究得到国家自然科学基金区域重点项目(U21A20237)的资助。
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