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中國科學(xué)院昆明植物研究所

塑料廢棄物的污染和治理是全球議題。2021年Science上一篇文章指出全球環(huán)境中微塑料污染無處不在且?guī)缀醪豢赡妫∕acLeod et al.,2021）。目前，在全球海洋（Kane et al.,2020）、陸地（Rillig et al.,2024）、大氣（Chen et al.,2023），甚至在青藏高原（Wang and Zhou,2023）等偏遠地區(qū)的環(huán)境樣品中均已發(fā)現(xiàn)微塑料，并且微塑料能夠通過植物根系（Sun et al.,2020）和葉片（Li et al.,2025）的吸收進入植物－土壤系統(tǒng)。但是，微塑料在植物－土壤系統(tǒng)中會產(chǎn)生何種生態(tài)效應(yīng)仍需更深入的研究。

為此，山地中心科研人員首先通過田間實驗系統(tǒng)評估了不同粒徑（75、150、300 μm）和類型（聚乙烯PE、聚苯乙烯PS）的微塑料（MPs）對玉米－土壤系統(tǒng)的多重影響，揭示了微塑料污染對土壤生物地球化學(xué)循環(huán)、溫室氣體排放及作物生產(chǎn)力的生態(tài)效應(yīng)（文章1）。該研究發(fā)現(xiàn)最小粒徑的PE微塑料（75 μm）對土壤和作物的危害最為嚴重：其導(dǎo)致土壤有機碳（SOC）和有機氮（ON）含量分別下降1%～1.5%，同時顯著增加CO?（88.55 mg/kg）和N?O（1.01 mg/kg）排放，使土壤全球增溫潛勢（GWP）提升177%。溫室氣體排放的增加主要歸因于微生物代謝活性增強（qCO?升高29%）及氮循環(huán)加速（氨化和硝化作用增強）。相比之下，PS微塑料的影響較弱，且大粒徑（300 μm）MPs的負面影響普遍較小。在作物生產(chǎn)方面，75 μm PE處理使玉米種子發(fā)芽率降低48%，植株高度減少30 cm，生物量和谷物產(chǎn)量下降2倍，掃描電鏡（SEM）證實微塑料可通過根系吸收并轉(zhuǎn)運至莖葉組織，可能通過物理損傷根系或改變土壤疏水性間接抑制作物生長。機制分析表明，微塑料的負面影響與其粒徑相關(guān)的比表面積密切相關(guān)即小粒徑MPs通過增大與土壤微生物和養(yǎng)分的接觸面積，加劇了碳氮流失和氧化應(yīng)激反應(yīng)。此外，微塑料類型的差異（PE的疏水性高于PS）也進一步調(diào)控了其環(huán)境行為，PE更易引發(fā)微生物群落改變和酶活性擾動。該研究首次在田間尺度證實微塑料污染可能通過“土壤－作物－氣候”正反饋調(diào)節(jié)加劇全球變化的影響。隨著環(huán)境中大粒徑MPs逐漸降解為小粒徑顆粒，其生態(tài)風(fēng)險將持續(xù)升級。研究結(jié)果為評估農(nóng)業(yè)微塑料污染的級聯(lián)效應(yīng)提供了關(guān)鍵證據(jù)，并呼吁優(yōu)先管控小粒徑PE類微塑料的環(huán)境釋放。未來需進一步探究微塑料長期老化過程中的粒徑動態(tài)變化及其與土壤微生物互作的分子機制。

上述研究成果以Smallest microplastics intensify maize yield decline,soil processes and consequent global warming potential為題發(fā)表在國際期刊Journal of Hazardous Materials上。昆明植物所Shahid Iqbal博士是論文的第一作者，李云駒研究員和桂恒副研究員是論文的通訊作者。

其次，不同類型的塑料污染物在植物－土壤系統(tǒng)中的歸趨（Fate）也是塑料生物降解研究中的前沿問題。塑料污染對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅，傳統(tǒng)處理方法效率低，微生物降解潛力尚未充分開發(fā)（Rappuoli et al.,2025）。山地中心研究人員在前期工作的基礎(chǔ)上（Khan et al.,2017,EP；Ren et al.,2021,SIF; Jacob et al.,2023 EES；授權(quán)專利：ZL 2020 1 0879237.7,ZL 2022 1 0149594.7）從植物－土壤環(huán)境中篩選了一類塑料降解微型真菌，這項研究探討了真菌Lasiodiplodia tranensis對聚氨酯（PU）和聚乙烯（PE）的降解能力及其代謝響應(yīng)機制（文章2）。在60天的真菌培養(yǎng)試驗中，該研究評估了不同塑料重量損失、分子量變化及表面形態(tài)（SEM）變化。通過LC-MS非靶向代謝組學(xué)分析真菌暴露于PU/PE后的差異代謝物并檢測了關(guān)鍵酶（酯酶、脂肪酶、漆酶等）活性。結(jié)果表明，該真菌能夠有效降解PU，在60天內(nèi)使PU薄膜重量減少11.05%，分子量降低19.10%，這主要歸因于真菌分泌的水解酶（如酯酶、脂肪酶）對PU分子中酯鍵的攻擊；而由于穩(wěn)定的碳－碳骨架結(jié)構(gòu)，PE在真菌降解后僅有0.53%的重量損失。代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，PU處理主要激活了酶合成、三羧酸循環(huán)中間體和營養(yǎng)攝取等代謝通路，而PE處理則顯著誘導(dǎo)了氧化應(yīng)激、抗氧化活性和膜完整性相關(guān)通路。研究還鑒定出30種共同上調(diào)的代謝物（如L-纈氨酸、2-氧代精氨酸等），這些代謝物可能在提供碳氮源和促進酶合成方面發(fā)揮重要作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅闡明了真菌降解塑料的分子機制，還為開發(fā)基于真菌的微生物修復(fù)技術(shù)提供了理論依據(jù)和潛在靶點，也為緩解全球塑料污染危機提供了基于自然的解決方案。

上述研究成果以Unveiling fungal degradation pathways for polyurethane and polyethylene through enrichment cultures and metabolic analysis為題發(fā)表在國際期刊International Biodeterioration & Biodegradation上，昆明植物所博士研究生Jacob Eyalira是論文的第一作者，許建初研究員和桂恒副研究員是論文的通訊作者。

上述研究得到了國際原子能機構(gòu)－聯(lián)合國糧農(nóng)組織聯(lián)合研究項目（D15021）、中國科學(xué)院“青年創(chuàng)新促進會”（2022396）、云南省“興滇英才”計劃（XDYC-QNRC-2022-0346）等項目的支持。

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圖1文章1圖形摘要及主要發(fā)現(xiàn)

圖2文章2圖形摘要及主要發(fā)現(xiàn)

文：桂恒