由于对微塑料 (MP) 污染及其对农业可持续发展潜在风险的担忧，可生物降解地膜 (BF) 已在农业中广泛应用。阐明MP的分布及微生物群落在其生物降解中的作用，对评估BF在稻田土壤中的有效性至关重要。本研究采集中国南方典型稻田土壤样品，采用傅里叶变换红外光谱分析MP组成，并通过宏基因组测序识别MP降解基因和表征微生物群落。结果表明，与无覆膜历史的对照土壤 (CK) 相比，覆BF土壤在0.250.1 mm粒径范围内的MP丰度显著更高。同样，BF中特定类型MP的丰度也显著高于CK。BF和CK样品中均鉴定出五种主要MP生物降解途径，超过26个功能基因和10个属与排名前五的聚合物类型的生物降解相关。然而，仅部分基因和属在BF和CK样品间存在显著差异，尤其在邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、聚乙烯及其他聚合物的降解方面。功能水平上，相似属参与了MP降解，但其相对贡献因聚合物类型而异。总体而言，与CK相比，BF的使用使MP更有效降解为简单结构。尽管BF和CK样品中MP总含量无显著差异，但BF的使用改变了所采样稻田土壤中降解MP的细菌群落组成与丰度。BF使用下增强的生物降解效率进一步支持了稻田系统的农业可持续性。
微塑料 (MPs) 已成为全球性的环境污染物，在农业土壤中尤为突出，对食物链安全和土壤健康构成威胁。农业中大量使用的非生物降解塑料是MPs的主要来源之一，而生物降解地膜 (BFs) 因其更易降解的特性，被视为更具可持续性的替代品。然而，BFs在实际应用中也可能分解并积累微塑料颗粒，其对土壤微生物群落和功能的潜在影响尚不明确，尤其是在不同土壤类型和干湿交替的稻田环境中，相关研究尤为匮乏。
稻田是全球关注的重点农业生态系统，与粮食安全密切相关。在中国等主要水稻生产国，覆膜技术被广泛用于增温保墒和提高产量。但塑料地膜的长期使用也带来了MPs污染风险，MPs可能破坏稻田土壤中关键的微生物功能 (如氮循环)，并随水体迁移，加剧环境污染。因此，阐明MPs在稻田土壤中的分布特征及其风化过程至关重要，这直接受到环境条件和地膜类型的影响。微生物降解是MPs生物风化的重要途径，多种微生物属已被证实参与不同塑料类型的降解过程，其效率受微生物群落组成和多样性的影响。尽管已有研究发现了部分降解菌株，但稻田土壤中参与MP降解的特异性微生物群落及其功能尚不清楚。
本研究旨在评估覆生物降解地膜与传统非生物降解聚乙烯地膜的稻田土壤中，MPs的粒径分布、形态特征及丰度。此外，研究进一步分析了MPs的生物降解特性，量化了MP降解微生物的丰度及其贡献，并探讨了细菌类群与特定MP类型之间的关联。
BF和CK中MPs类型存在显著差异，尤其是在小于1 mm的粒径范围内 (图1)。BF中检测到聚(乙烯:氯乙烯)、低密度PE、无规聚丙烯等多种类型，而CK中类型相对较少。
图2 BF和CK情景下土壤中微塑料 (MP) 丰度。(a) 不同粒径MP的丰度；(b) 不同形态MP的丰度。
利用香农指数和主坐标分析 (PCoA) 分析了微生物的和多样性 (图3)。在两种覆膜情景下，地膜类型并未影响稻田土壤的香农指数，BF和CK之间无显著差异 (图3(a))。然而，PCoA 分析显示，BF和CK之间MP降解微生物的结构存在显著差异 (图3(b))。
FTIR分析显示，BF的使用改变了土壤中MPs的组成 (图1)，且生物降解塑料产生的MPs多于传统PE塑料。BF主要影响了MPs的组成、粒径和形态特征，特别是贡献了小于1 mm粒径范围内的特定MP类型。本研究中，0.250.1 mm粒径范围的MPs丰度最高，而BF显著增加了该粒径范围的MP丰度 (800 193 颗粒/kg)，显著高于CK (260 159 颗粒/kg)。与传统地膜产生的MPs多集中在13 mm范围不同，BF使MPs向更小形态转变。BF中薄膜状MPs丰度 (1586.7 241.9 颗粒/kg) 显著高于CK (746.7 264.01 颗粒/kg)，而纤维状和碎片状MPs在两组间无显著差异，证实了BF的环境友好特性。CK中的MPs则主要来自大气沉降和灌溉水等其他外部输入。
粒径和形态变化反映了BF的微生物降解过程。与纯聚合物不同，生物降解地膜需要土壤微生物在田间条件下降解，微生物联合体和酶途径对MP降解至关重要。本研究鉴定出的前五种聚合物类型为DEHP、PE、PE-PS-PHB、PET和PS，这种差异归因于BF的影响。共鉴定出超过26个与这些聚合物降解相关的DNA序列。在功能水平上，各属的贡献在不同聚合物类型间相似，但具体比例存在差异：例如在PE-PS-PHB降解中，Pseudomonas在BF中贡献约5%，而Nocardioides在CK中贡献约9% (图5)。
BF的微生物降解导致MPs形态和粒径变化，降解速率受填充剂类型和地理位置等因素影响。本研究表明，BF在一个水稻生长季内显著降解。贡献特定降解功能的属主要包括Nocardioides、Bradyrhizobium、Pseudomonas、Mycobacterium、Sphingomonas等 (图5)。这些属通过同化BF基质中的营养物质促进了降解过程，从而增强了降解效率。
MP生物降解效率的量化证实BF可为MP污染提供可持续解决方案。BF更易降解为简单形态。虽然MPs总含量在BF和CK间无显著差异，但BF改变了MPs的组成、粒径和形态特征，并影响了稻田土壤中MPs的生物降解功能。
稻田土壤中微塑料的粒径和形态受地膜类型影响，生物降解地膜更易降解为简单形态。尽管BF与CK样品中微塑料总含量无显著差异，但BF的使用改变了微塑料的组成特征，并影响了参与生物降解过程的基因丰度，共鉴定出超过26个与排名前五聚合物类型降解相关的DNA序列。其中，参与PE降解的alk基因、参与PE-PS-PHB降解的paaF和HSD17B10基因，以及参与PET降解的ALDH基因的丰度在BF和CK间存在显著差异。此外，细菌类群与特定微塑料类型表现出不同的相关性，例如PET降解与Bradyrhizobium相关，PS降解与Sphingomonas、Pseudolabrys、Mycobacterium和Aromatoleum相关。总体而言，生物降解地膜可作为环境友好型材料在水稻生产中广泛应用。
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