論文標(biāo)題：Size-dependent effects of oxo-degradable plastic contamination on soil quality and the growth of Zea mays

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Do Thi Kim THANH, Robert W. BROWN, Martine GRAF, Michaela K. REAY, Charlotte E. M. LLOYD, Gupeng LI, David R. CHADWICK, Davey L. JONES

發(fā)表時間：30 Apr 2025

DOI： 10.15302/J-FASE-2025623

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農(nóng)業(yè)塑料的應(yīng)用與問題

Agricultural plastics application and problems

Volume 13 · Number 1 · February 2026

專 輯 文 章 介 紹

· 第三篇 ·

▎論文ID

Size-dependent effects of oxo-degradable plastic contamination on soil quality and the growth of Zea mays

可氧化降解塑料污染對土壤質(zhì)量及玉米生長的尺寸依賴性效應(yīng)

文章類型：Research Article

發(fā)表年份：2025年

第一作者：Do Thi Kim THANH

通訊作者：Davey L. JONES

Email: d.jones@bangor.ac.uk

作者單位：英國班戈大學(xué)

Cite this article :

Do Thi Kim THANH, Robert W. BROWN, Martine GRAF, Michaela K. REAY, Charlotte E. M. LLOYD, Gupeng LI, David R. CHADWICK, Davey L. JONES. Size-dependent effects of oxo-degradable plastic contamination on soil quality and the growth of Zea mays. Front. Agr. Sci. Eng., 2026, 13(1): 25623 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2025623

· 文 章 摘 要 ·

農(nóng)用塑料地膜成為土壤微塑料污染的重要來源，引發(fā)了人們對土壤健康和糧食安全的擔(dān)憂?？裳趸到馑芰?(ODPs) 被視為當(dāng)前塑料地膜的潛在可持續(xù)替代品，但其土壤降解速率及對土壤質(zhì)量和作物健康的影響尚不明確。本研究評估了不同濃度 (0.01%、0.1%、1%和10%，w/w) 商用d2w ODP微塑料和大塑料在農(nóng)業(yè)土壤中的動態(tài)變化及其對玉米生長的影響 (6周)?；瘜W(xué)分析顯示，該ODP含約0.29%添加劑，主要為抗氧化劑和潤滑劑，重金屬含量極低。ODP降解主要限于鏈斷裂，僅部分形成含氧基團(tuán)，羰基指數(shù)未增加，且降解速率與土壤濃度呈負(fù)相關(guān)。總體而言，典型田間塑料污染水平 (0.01%) 對土壤質(zhì)量或作物生長影響甚微。但較高濃度ODP污染顯著改變了土壤pH、電導(dǎo)率、硝酸根濃度和容重。在極高添加量 (10%) 下，微塑料和大塑料均顯著抑制植物生長，且微塑料影響更大。細(xì)菌群落變化主要由酸桿菌門和芽單胞菌門驅(qū)動，大塑料顯著改變了群落組成，而微塑料影響較小。研究表明，在現(xiàn)實田間濃度下，短期內(nèi)ODPs對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能影響不大，但若連續(xù)多個種植周期使用，可能在土壤中長期存在并逐漸累積。

· 文 章 亮 點 ·

1. 首次開展ODPs微塑料與大塑料對土壤和植物影響的對比研究。

2. 高劑量 (> 1%) ODP會改變土壤質(zhì)量，但典型田間施用量影響甚微。

3. 相較于大塑料，微塑料對土壤性質(zhì)的干擾效應(yīng)更為顯著。

4. 高負(fù)荷條件下植株矮化、葉綠素含量下降，但對生物量無顯著影響。

5. ODPs埋入土壤6周后降解程度十分有限。

· Graphical abstract ·

· 研 究 內(nèi) 容 ·

▎引言

可氧化降解塑料 (ODPs) 自20世紀(jì)80年代問世以來，作為應(yīng)對塑料污染的創(chuàng)新方案受到廣泛關(guān)注。這類塑料添加促氧化劑，可在熱或紫外線作用下發(fā)生鏈斷裂并生成含氧基團(tuán)，隨后由微生物進(jìn)一步降解。由于成本與傳統(tǒng)塑料相當(dāng)且初期性能相似，ODPs在農(nóng)用地膜領(lǐng)域已應(yīng)用四十余年。但其二次生物降解階段的實際效果至今未充分驗證，反而可能加劇土壤微塑料污染，導(dǎo)致歐盟等地區(qū)已立法限制其使用。同時，其在厭氧填埋條件下緩慢降解并產(chǎn)生甲烷的問題，以及金屬添加劑的環(huán)境風(fēng)險，也引發(fā)了持續(xù)爭議。

塑料殘留物在農(nóng)業(yè)土壤中的累積已成為重大環(huán)境問題。常規(guī)微塑料 (< 5 mm) 和大塑料 (> 5 mm) 均已被證實對土壤系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響：大塑料破壞土壤結(jié)構(gòu)，微塑料則能通過作物進(jìn)入食物鏈，影響土壤生物和養(yǎng)分循環(huán)。盡管ODPs已在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，但關(guān)于其對土壤質(zhì)量和植物健康影響的系統(tǒng)評估仍十分有限。

本研究旨在以玉米為模式作物，首次系統(tǒng)探究不同尺寸ODPs對土壤生化特性與植物健康的影響，并解析其化學(xué)組成以闡明潛在毒性機制。我們提出三個假設(shè)：(1) ODP污染濃度升高會劣化土壤性質(zhì)；(2) ODPs通過抑制根系生長限制植物發(fā)育；(3) 微塑料比大塑料影響更為顯著。本研究旨在為制定農(nóng)業(yè)ODP污染閾值提供科學(xué)依據(jù)。

▎結(jié)果

1. 可氧化降解塑料對植株生長的影響

ODP的尺寸和濃度均顯著影響玉米地上部生長速率 (p < 0.001)，對收獲期葉片葉綠素含量亦有顯著影響 (p < 0.001)。生長抑制效應(yīng)在第一周即顯現(xiàn)。整體而言，宏塑料對株高的抑制作用更明顯，但10%高濃度下微塑料與宏塑料效應(yīng)相近。微塑料提高葉片葉綠素含量，宏塑料無此效應(yīng)。地上部生物量僅在最高濃度受輕微負(fù)面影響 (p = 0.022，圖1)。微塑料顯著提高根系生物量 (p < 0.001)，尤其在低濃度 (0.01%) 時促進(jìn)效應(yīng)最顯著；濃度效應(yīng)較弱 (p = 0.048)。

圖1 不同濃度ODP大塑料和微塑料污染對玉米 (a) 地上部生物量和 (b) 根系生物量的影響。

植株營養(yǎng)分析顯示，塑料尺寸顯著影響葉片磷、鉀、鈣、鐵、銅、錳濃度，宏塑料處理通常高于微塑料處理；鐵濃度差異最顯著，最高濃度下宏塑料處理可達(dá)微塑料的4倍。塑料濃度對硫、氯、鉀、鈣、錳、鐵、鋅均有顯著影響，高濃度普遍改變養(yǎng)分譜，但模式因元素而異。尺寸與濃度對鈣、錳、氯、鐵存在顯著交互效應(yīng)。

2. 可氧化降解塑料對土壤理化性質(zhì)的影響

ODP顯著影響土壤質(zhì)量指標(biāo)，多呈劑量依賴模式。微塑料在所有濃度均提高土壤pH，10%處理增幅達(dá)0.98個單位 (圖2)；宏塑料對pH無顯著影響。微塑料導(dǎo)致電導(dǎo)率劑量依賴性升高，最高濃度達(dá)對照的2倍；宏塑料影響較小且無一致劑量效應(yīng)。有機質(zhì)含量隨塑料負(fù)荷增加而升高 (未扣除塑料碳源)。

圖2 不同濃度ODP大塑料和微塑料污染對 (a) 土壤pH和 (b) 土壤電導(dǎo)率 (EC) 的影響。

微塑料與宏塑料均顯著降低土壤容重，效應(yīng)隨濃度增強，10%處理降至0.59 g·cm-3 (對照0.95 g·cm-3，圖3)，微塑料降低幅度略大于宏塑料。銨態(tài)氮和有效磷受影響輕微。硝態(tài)氮變化與電導(dǎo)率趨勢一致：微塑料呈濃度依賴性升高，宏塑料無顯著效應(yīng)。

圖3 不同濃度ODP大塑料和微塑料污染對 (a) 土壤容重和 (b) 土壤硝酸根濃度的影響。

3. 可氧化降解塑料對土壤微生物群落的影響

16S rRNA測序共鑒定22,955個細(xì)菌與古菌序列。變形菌門、酸桿菌門、放線菌門和芽單胞菌門為優(yōu)勢類群 (圖4)。酸桿菌門 (H(8)= 20.0, p = 0.01)、泉古菌門 (H(8) = 18.4, p = 0.02)、芽單胞菌門 (H(8) = 22.7, p = 0.004) 及其他稀有類群 (H(8) = 25.1, p = 0.002) 存在顯著差異。酸桿菌門呈微弱的微塑料劑量依賴性下降趨勢，芽單胞菌門和放線菌門則相反。大塑料0.1%、1%和10%處理的Chao1指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)顯著高于對照，微塑料處理與對照無顯著差異 (圖5)。NMDS分析顯示群落結(jié)構(gòu)存在變異 (BetaDisper p = 0.011)，僅10%微塑料處理與對照差異顯著。

圖4 不同塑料類型 (微塑料和大塑料) 和添加量 (0%、0.01%、0.1%、1%、10%, w/w) 處理下16S rRNA代謝條形碼細(xì)菌群落 (n = 5)。

圖5 不同塑料類型 (微塑料和大塑料) 和添加量 (0%、0.01%、0.1%、1%、10%, w/w) 處理下16S rRNA細(xì)菌群落α多樣性，(a) Chao1指數(shù)，(b) Shannon指數(shù)，(c) Simpson指數(shù) (n = 5)。

4. 土壤埋藏后可氧化降解塑料的化學(xué)變化

埋藏6周后，0.1%、1%和10%宏塑料處理的紅外光譜峰強度相對于對照發(fā)生變化 (圖6)：1032 cm-1(C–O伸縮振動) 峰強度降低，1461 cm-1(CH彎曲振動)、2844 cm-1(CH2對稱伸縮) 和2915 cm-1(CH2不對稱伸縮) 峰強度升高。峰強度變化在0.1%處理最大，隨濃度升高而線性減弱 (R2 = 0.81–0.99)。1700–1800 cm-1(C=O區(qū)) 和3200–3600 cm-1(O–H區(qū)) 無顯著變化，表明氧化降解有限。

圖6 (a) 對照組及0.1%、1%、10%塑料處理土壤中埋藏6周后回收塑料的ATR-FTIR光譜，(b) 所選波數(shù)峰強相對于對照組的變化百分比。

5. 塑料添加劑

ODP總添加劑含量為2.90 mg·g-1，以抗氧化劑為主。三(2,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯 (1.51 mg·g-1) 及其氧化產(chǎn)物 (415 μg·g-1) 含量最高，其次為初級抗氧化劑octadecyl 3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯 (211 μg·g-1)。潤滑劑包括外潤滑劑十六烷酸 (435 μg·g-1)、十八烷酸 (54.5 μg·g-1) 和內(nèi)潤滑劑docosenamide (266 μg·g-1)、oleanitrile (15.0 μg·g-1)。添加劑降解產(chǎn)物包括2,4-二叔丁基苯酚 (211 μg·g-1) 等。C20–C34線性及支鏈烷烴/烯烴總量2.22 mg·g-1。重金屬含量極低。

▎討論

1. 可氧化降解塑料對土壤物理性質(zhì)的影響

低濃度ODP污染即顯著改變土壤物理性質(zhì)，且影響呈尺寸和濃度依賴性。最顯著變化為土壤容重降低，最高濃度下下降達(dá)40%，主要源于ODP密度較低 (0.92 g·cm-3) 及其形成更大孔隙空間的能力。微塑料對容重影響大于大塑料，因其分布更均勻且更易干擾顆粒間相互作用。影響呈濃度依賴性，閾值效應(yīng)明顯：田間濃度下影響極小，高濃度下物理性質(zhì)顯著改變。

2. 可氧化降解塑料對土壤化學(xué)性質(zhì)及養(yǎng)分有效性的影響

微塑料和大塑料對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響機制不同。微塑料處理中pH升高主要歸因于添加劑 (如CaCO3填料) 釋放，而非微生物過程改變。電導(dǎo)率和NO3-同步升高表明氮循環(huán)受干擾，歸因于pH升高促進(jìn)硝化作用及通氣改善減少反硝化損失。ODP對NH4+和有效P無影響，表明部分養(yǎng)分循環(huán)未受干擾。田間濃度下ODP對土壤生物地球化學(xué)循環(huán)短期影響甚微。

3. 植物對可氧化降解塑料污染的響應(yīng)

地上部生長僅在極端污染水平 (10% w/w) 下受抑制。低濃度微塑料促進(jìn)根系生長，可能與土壤NO3-和pH升高有關(guān)。未發(fā)現(xiàn)大塑料對根系產(chǎn)生機械阻抗證據(jù)。微塑料處理中葉綠素含量升高表明氮獲取能力增強，與多數(shù)研究結(jié)果相反。無重金屬污染背景下，未發(fā)現(xiàn)ODP導(dǎo)致葉片金屬元素積累的證據(jù)。

4. 可氧化降解塑料對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)/多樣性的影響

群落差異主要由酸桿菌門、芽單胞菌門及其他低豐度門類驅(qū)動。α多樣性方面，大塑料處理在濃度> 0.01%時Chao1和Shannon指數(shù)升高，而微塑料處理無變化，表明6周內(nèi)ODP未充分降解。pH變化非主要驅(qū)動因素，碳輸入 (最高達(dá)8.56% C) 及塑料表面微生境形成可能對微生物群落產(chǎn)生更大影響。

5. 可氧化降解塑料降解速率與塑料濃度呈負(fù)相關(guān)

C=O和O–H區(qū)域未見峰強增加，表明氧化降解有限，主要歸因于紫外線照射缺乏。1032 cm-1峰強增加表明部分氧化，1461、2844、2915 cm-1峰強降低表明鏈斷裂發(fā)生?？寡趸瘎?(0.2% w/w) 抑制氧化進(jìn)程。峰強變化與ODP濃度負(fù)相關(guān)，低濃度處理降解程度更高。結(jié)果表明ODP在土壤中分解有限，環(huán)境持久性遠(yuǎn)超預(yù)期，多個生長季累積可能導(dǎo)致土壤性質(zhì)逐漸改變。

· 結(jié) 論 ·

本研究結(jié)果表明，對ODP在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)采取預(yù)防性原則。降解不完全與潛在累積風(fēng)險相結(jié)合，與近期部分國家限制ODP使用的政策決定相一致。在田間相關(guān)濃度下未觀察到對植物和土壤健康的急性影響，不應(yīng)減輕對長期累積風(fēng)險的擔(dān)憂。綜合考慮，現(xiàn)有證據(jù)表明ODP在環(huán)境安全性方面可能并不比傳統(tǒng)塑料更具優(yōu)勢。雖然ODP是作為塑料污染的創(chuàng)新解決方案被引入的，但本研究結(jié)果表明，它反而可能加劇農(nóng)業(yè)微塑料污染的挑戰(zhàn)。顯然需要進(jìn)一步研究：(1)評估ODP進(jìn)入土壤的多種途徑；(2) 在更長時間尺度上理解其在田間的分解速率和持久性；(3) 形成納米塑料和釋放添加劑的潛力；(4) 向水體和大氣遷移的可能性。

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