微塑料对土壤微生物多样性和有机碳降解酶活性的影响

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微塑料污染已经成为全球性的生态环境问题。据估计,陆地生态系统的微塑料累积量远多于海洋生态系统。然而,当前土壤中微塑料的研究集中于数量统计和源解析方面,而在微塑料影响土壤性质及功能方面的研究十分欠缺,同时微塑料影响土壤健康的机理仍不清楚。基于此,本研究聚焦于微塑料与土壤生物学性质,探讨微塑料对土壤微生物多样性和有机碳降解酶活性的影响,进而揭示微塑料影响土壤天然有机碳累积的作用机理。同时,本研究还探讨了热处理对微塑料污染土壤生物学性质的影响及天然有机物的复原作用。本研究向土壤中添加两种类型的微塑料,即聚酯微纤维(PMF,0%、0.1%、0.3%和1.0%土壤干重)和低密度聚乙烯膜(LDPE,0%、0.1%和0.3%土壤干重);另外向土壤中添加聚酯微纤维进行热处理(HPMF,0%、0.1%、0.3%和1.0%土壤干重),然后添加天然有机物(OM,黑杨(Populus nigra)树叶凋落物,0%、1%和3%土壤干重)进行室内培养实验。采用高通量测序技术分析土壤微生物的多样性,使用酶标法测定土壤有机碳降解酶活性:蔗糖酶(SR)、淀粉酶(AL)、β-木糖苷酶(β-XD)、β-葡萄糖苷酶(β-GD)、纤维素酶(CL)和漆酶(LC)。主要研究结果如下:(1)探究了土壤中PMF和OM的添加对土壤微生物多样性和有机碳降解酶活性的影响,揭示了PMF对土壤天然有机碳累积的影响及其作用机理。结果表明,PMF的添加显著提高了土壤真菌的多样性,但是其对土壤细菌多样性无显著影响;PMF的添加显著提高了土壤漆酶活性。同时,聚酯微纤维表面细菌和真菌的多样性及好氧型细菌的相对丰度均高于周围土壤中的。PMF的添加对土壤中和聚酯微纤维表面的微生物群落结构(门和属水平)及细菌群落稳定性无显著影响,然而OM的添加影响了微塑料污染土壤的微生物群落结构(属水平)和酶活性并提高了细菌群落稳定性。高浓度的PMF的添加显著降低天然有机碳累积量。这些研究结果表明PMF的添加提高了土壤真菌的多样性及漆酶活性,同时,聚酯微纤维表面具有更高的微生物多样性及好氧型细菌丰度,这可能是土壤天然有机碳累积量下降的原因。(2)探究了HPMF对土壤微生物多样性和有机碳降解酶活性的影响,进一步分析了经热处理后OM的添加对微塑料污染土壤的复原作用。结果表明,高浓度的HPMF显著提高土壤细菌的多样性,但是热处理对真菌的多样性则无显著影响。高浓度的HPMF显著降低土壤漆酶和纤维素酶活性,但不同HPMF处理间其它有机碳降解酶活性无显著差异。HPMF处理与相应PMF处理比较发现,土壤细菌和真菌的多样性未改变,但微生物群落结构和有机碳降解酶活性发生变化。OM的添加提高了细菌群落稳定性,但HPMF依然影响土壤微生物多样性和酶活性。HPMF显著降低天然有机碳的累积量。这些结果表明聚酯微纤维经热处理后依然影响土壤微生物多样性和酶活性,OM的添加并未消除HPMF对土壤生物学特性的影响,而且HPMF依然影响土壤天然有机碳的累积。(3)探究了LDPE和OM的添加对不同粒径的土壤团聚体中有机碳降解酶活性的影响。结果表明,不同LDPE处理间总土和土壤大团聚体中有机碳降解酶活性无显著差异。在3%OM添加水平下,LDPE的添加显著提高了微团聚体中的有机碳降解酶活性。LDPE的添加对土壤天然有机碳的累积量无显著影响。这些结果表明添加LDPE对土壤有机碳降解酶活性无显著影响,使得天然有机碳的累积量无变化,但是LDPE和OM的添加提高了土壤微团聚体中降解较简单含碳化合物的酶活性。本研究表明聚酯微纤维的添加提高了土壤中和聚酯微纤维表面的微生物多样性,同时提高了土壤漆酶的活性,聚酯微纤维经热处理后依然影响土壤微生物多样性和漆酶活性,而且天然有机物的添加并未消除聚酯微纤维经热处理后的影响。不管聚酯微纤维经热处理与否,土壤天然有机碳的累积量均降低。低密度聚乙烯膜和天然有机物的协同效应促进了土壤微团聚体的激发效应。
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