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FESE研究 | 纳米塑料加剧植物-土壤系统中CH4和N2O的排放 |
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论文标题：Nanoplastic aggravates CH4 and N2O emission in plant-soil system
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Shuyang Li, Huaijia Xin,Yajun Wang,Qinghua Ji，Yaohui Bai, Huijuan Liu ,Jiuhui Qu
发表时间：20 Jul 2025
DOI：10.1007/s11783-025-2066-8
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近日，清华大学环境学院吉庆华副研究员等在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第19卷第11期发表了题为“Nanoplastic aggravates CH4 and N2O emission in plant-soil system”的研究论文。
湿地作为重要的陆地生态系统，既是碳汇，也是温室气体排放的重要来源。其中，CH4和N2O的全球增温潜势分别为二氧化碳的25倍和298倍，其排放强度受环境因子与人为污染的共同调控。随着全球塑料产量的持续增长，纳米塑料在环境中的累积日益严重。由于其粒径小、难降解，并具有高生物毒性，纳米塑料对湿地生态系统的潜在影响亟待厘清。
为探究纳米塑料对湿地温室气体排放的影响，研究团队构建了模拟湿地系统，设置了200、1000与1500 mg/kg三个聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）浓度梯度，并以芦苇为典型湿地植物，开展了为期数月的控制实验。通过静态箱法收集气体样本，结合气相色谱分析CH4和N2O排放通量；进一步利用宏基因组学、代谢组学及植物生理指标检测，系统解析了PS-NPs对根际微生物群落、植物光合作用、抗氧化系统及根系分泌物的影响。
研究结果显示，随着PS-NPs浓度升高，CH4排放通量在植物生长中后期显著上升，最高可达对照组的两倍（图1）。N2O排放通量在高温条件下也呈现约两倍的增长。进一步分析发现，PS-NPs并未改变土壤基本理化性质，但显著影响了根际微生物的代谢途径。
图1 湿地温室气体排放。
在根际土壤中，产甲烷关键酶基因mcrA及乙酸型产甲烷模块（M00357）的丰度显著上升，同时甲烷氧化菌中仅Type I类群如Methylococcaceae有所增加，而Type II类群未呈现明显变化（图2）。此外，PS-NPs还促进了根际反硝化过程，相关基因narG、nirK、nirS、norB等表达量均显著提升，导致N2O生成能力增强（图3）。
图2 PS-NPs对甲烷氧化微生物群落的影响。
图3 PS-NPs对氮循环相关模块的影响。
PS-NPs对芦苇的生理过程产生了系统性抑制。叶片叶绿素含量下降，光合作用能力减弱；根、茎、叶中的超氧化物歧化酶（SOD）与过氧化物酶（POD）活性显著降低，而叶片中丙二醛（MDA）含量上升，表明植物处于氧化应激状态（图4）。此外，根系分泌物中脱落酸含量大幅下降，根际溶氧能力也显著减弱，进一步强化了根际厌氧微环境。
图4 PS-NPs对植物生长、代谢及根系分泌物的影响。
代谢组学分析显示，PS-NPs处理下根系分泌物中多种糖醇类物质减少，而L-苯丙氨酸的分泌量上升了2–3个数量级。该物质可通过模块M00878转化为乙酰辅酶A，进而作为产甲烷的碳源，从而促进CH4的生成。
本研究系统阐明了PS-NPs通过抑制植物生理活性、改变根际微环境与微生物代谢途径，从而促进湿地CH4和N2O排放的双重机制：一方面，植物光合与抗氧化能力下降导致根际缺氧，促进产甲烷与反硝化过程；另一方面，根系分泌物组成变化为产甲烷菌提供了有效碳源。研究表明，纳米塑料污染可能削弱湿地的碳汇功能，增强其作为温室气体源的角色。未来需进一步研究纳米塑料在复杂环境中的迁移转化与长期生态效应，并将其纳入湿地保护与碳管理策略的考量之中。
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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第11期发表的研究文章“Nanoplastic aggravates CH4 and N2O emission in plant-soil system”。通讯作者为清华大学环境学院吉庆华副研究员。
引用格式：Shuyang Li, Huaijia Xin, Yajun Wang, Qinghua Ji, Yaohui Bai, Huijuan Liu, Jiuhui Qu. Nanoplastic aggravates CH4 and N2O emission in plant-soil system. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(11): 146 DOI:10.1007/s11783-025-2066-8
期刊简介
Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。
主编：曲久辉院士，John Crittenden院士
期刊官网1（国内免费获取）
http://journal.hep.com.cn/fese/EN
期刊官网2
www.springer.com/journal/11783
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