全球角度分析揭示塑料污染对湿地生态系统和温室气体排放的影响

　　近日，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室葛振鸣研究员团队在塑料污染对湿地土壤-植物系统和温室气体排放的影响方面取得新进展。该研究基于全球研究地点分析了塑料污染对不同湿地类型（滨海湿地、河湖湿地和农业湿地）土壤理化性质、土壤微生物、酶活性、功能基因、植物特性和温室气体排放（CO2、CH4和N2O）的影响，同时揭示了湿地温室气体排放对塑料污染的响应机制（图1）。研究发现：(1) 湿地塑料污染显著增加了土壤有机质和有机碳，平均增加28.9%和34.2%，而无机营养元素、细菌α多样性和酶活性平均降低了5.9-14.2%；(2) 降低了植物生物量和光合作用效率，平均下降12.8%和18.4%；(3) 显著增加了土壤有机碳降解和氨氧化微生物相关的功能基因的丰度，增加了CO2和N2O排放；同时，研究还发现塑料垃圾的暴露浓度和持续时间也是影响湿地土壤-植物系统的重要因素。本研究结果强调了当前社会塑料污染对湿地生态系统的影响，可为后续制定湿地塑料污染的治理管控提供理论支持。相关成果以Impacts of plastic pollution on soil-plant properties and greenhouse gas emissions in wetlands: A meta-analysis 为题发表于环境科学与生态学领域顶级期刊Journal of Hazardous Materials.
 
图1 塑料垃圾进入湿地生态系统后的生态环境效应
 
研究背景
　　塑料制品在世界各地的工业活动和日常生活中得到大规模生产和使用，其造成的环境污染对全球生态系统也构成了严重威胁。湿地生态系统可以提供多种生态服务，其中塑料和微塑料主要来源于废水排放、水产养殖和工业活动等，并且在各种类型湿地中的沉积物、水体和生物中均发现了塑料/微塑料。湿地生态系统沉积物中的微塑料（MP）浓度范围为42.9-5970.2 kg-1（平均2046.7 kg-1），其中聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）是最常见的聚合物。与其他生态系统相比，水生植物的生物多样性、湿地特定的水文和沉积动力学特征为塑料的富集和传播创造了有利条件。
 
　　塑料进入湿地土壤中后会改变土壤特性、土壤微生物群落和酶活性。塑料独特的表面结构也为微生物定植提供了新的生态位，促进塑料圈层“Plastisphere”的形成和特定微生物的生长。湿地植物也会受到土壤中塑料的直接毒性作用。有研究表明纳米塑料附着在叶片表面后，可以通过气孔进入植物维管系统，阻碍水分和养分的运输，造成植物的氧化损伤并抑制光合作用。此外，由于湿地生态系统的碳汇功能，湿地塑料污染下温室气体（GHG）排放的变化已成为当前的研究热点。塑料可以通过改变土壤的物理化学性质、微生物群落和酶活性来影响土壤的生物地球化学循环。
 
　　以往的研究大多探讨了塑料污染对农业和海洋生态系统的影响。该研究探究了不同湿地类型中土壤特性、土壤微生物群落、植物特性和温室气体排放对塑料污染的响应（图2）。
 
图2 全球样点分布图
 
主要研究结果
　　塑料污染显著降低了湿地土壤pH、EC、BD、NH4+–N含量、NO2-–N含量、TP和AK含量，增加了土壤孔隙度、WHC、SOM和TOC含量。同时，塑料污染抑制了过氧化氢酶和脲酶的活性（图3）。对于土壤微生物来说，细菌丰度对塑料污染的响应会因门类而不同，但塑料仍显著降低了土壤细菌α多样性（图4）。此外，塑料污染增加了与有机碳降解相关的功能基因（如abfA）和氨氧化微生物（AOM）的丰度（图5）。植物存活率、株高、总生物量和地上部生物量均降低。塑料对湿地植物的光合效率、叶绿素a和类胡萝卜素含量也有负面影响。植物的氧化应激指标显著增加（图6）。此外，塑料的存在显著促进了CO2和N2O的排放，但对CH4排放的影响很小。
 
图3 塑料污染对湿地土壤特性（土壤基本性质、土壤养分含量和土壤酶活性）的影响
 
图4 塑料污染对湿地土壤微生物（门的丰度和细菌α多样性）的影响
 
图5 塑料污染对湿地土壤中与C和N循环相关的功能基因的影响
 
图6 塑料污染对湿地植物（植物生长、光合作用和氧化应激指标）和GHG排放的影响
 
　　结构方程模型（SEM）的结果揭示了塑料污染对土壤性质、微生物多样性、植物特征、与C和N循环相关的功能基因以及温室气体排放的直接和间接影响（图7）。在塑料污染下，土壤pH对TP、DOC和过氧化氢酶活性有直接的正向影响，而对磷酸酶活性和NO2−–N有负向影响。TP、NO3−–N、NH4+–N和AK显著促进了磷酸酶活性，TN促进了过氧化氢酶活性，TP和TN对脲酶活性具有正向影响。微生物多样性指数之间存在显著的正相关关系。同时，TP和AK也显著促进了植物生物量的累积。土壤和植物性质的变化进一步影响了温室气体排放。具体来说，CO2排放受到TP的负面影响，而TN、DOC和abfA则显著促进了CO2排放。CH4排放受DOC和植物生物量的正向影响，受到TP的抑制。N2O排放受到DOC和NO3−–N的含量的负向影响。
 
图7 塑料污染对土壤-植物系统和GHG排放的影响路径
 
　　该研究深入分析了塑料污染对湿地土壤-植物系统和温室气体排放的影响。塑料污染显著改变了土壤理化性质，主要包括BD、pH、盐度、SOM、TOC和其他营养元素。细菌丰度对塑料污染的响应会因门类而不同，细菌多样性和酶活性均降低。塑料污染对湿地植被的存活率、生物量和光合效率也具有显著的抑制作用。塑料浓度和暴露时间在影响湿地土壤和植物特性方面起着关键作用。此外，塑料污染显著增加了湿地的CO2和N2O排放，而塑料对CH4通量的影响很小。CO2排放的增加可归因于植物C封存速率降低以及与C降解相关的土壤有机质和功能性基因丰度增加。AOM丰度的增加和N2O还原的减少可能会导致N2O排放的增加。然而，需要更多的研究来揭示塑料污染下土壤-植物系统与 GHG排放之间的关系。这项工作为进一步调查湿地塑料污染的生态风险提供了参考。
 
研究团队及资助
　　该论文第一作者为华东师范大学河口海岸学国家重点实验室博士生赵伟，通讯作者为葛振鸣研究员。该项目得到了国家重点研发计划（2023YFE0113104）、国家自然科学基金（U2040204和42141016）和上海市科学技术委员会（22DZ12096000）的资助。
 
文献信息
Zhao, W., Ge, Z.M.*, Zhu, K.H., Lyu, Q., Liu, S.X., Chen, H.Y., Li, Z.F., 2024. Impacts of plastic pollution on soil–plant properties and greenhouse gas emissions in wetlands: A meta-analysis. Journal of Hazardous Materials, 480: 136167.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136167