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微塑料(MPs)进入水环境后，可能通过与溶解性有机质(DOM)及微生物的相互作用改变水生态系统碳氮循环。研究整合16项研究的130个独立观测发现，MPs总体上显著促进CO₂排放、降低N₂O通量，而CH₄呈非显著增加趋势。进一步分析表明，暴露时间和聚合物类型是影响其效应的重要因素。研究据此提出“MPs—DOM—微生物—温室气体”作用框架，为理解MPs潜在的气候效应提供了新的定量证据和机制视角。

图 1 MPs—DOM互作影响水生态系统碳氮循环与温室气体排放的概念框架

微塑料为何可能影响水生态系统温室气体排放？

河流、湖泊和湿地等水生态系统是全球碳氮循环的重要组成部分。CO₂、CH₄和N₂O的产生与释放受到微生物代谢过程调控，而DOM既是微生物的重要底物，其组成和生物可利用性也会影响温室气体产生。随着MPs广泛进入水环境，一个重要问题逐渐受到关注：MPs是否会通过改变DOM—微生物关系，进一步影响温室气体排放？已有研究对此尚未形成一致结论，既有MPs促进碳矿化和温室气体产生的报道，也有研究观察到抑制效应。这种差异可能与聚合物类型及老化过程等因素有关。值得关注的是，MPs与DOM之间并非单向作用，而是存在动态的双向互作。MPs可通过吸附和释放有机物改变DOM的数量、组成及生物可利用性；环境DOM也可参与MPs的光化学老化和界面反应，改变其表面性质、吸附行为及环境归趋。这种持续变化的MPs—DOM互作，为进一步影响微生物代谢及温室气体排放提供了重要的过程基础。

图 2 DOM驱动MPs老化与环境行为变化机制

Meta分析揭示温室气体响应及其时间依赖性

研究通过系统综述与Meta分析，整合16项研究中的130个独立观测，定量评估MPs对水生态系统CO₂、CH₄和N₂O排放的影响。结果显示，MPs总体上显著增加CO2排放，并显著降低NN₂O通量；CH₄则呈增加趋势，但整体效应未达到统计学显著水平。进一步分析表明，暴露时间和聚合物类型是解释不同研究结果差异的重要因素。

其中，时间依赖性是理解MPs生态效应差异的重要线索。短期暴露过程中，MPs对DOM的吸附及界面作用可能降低部分有机质的生物可利用性，从而抑制微生物碳矿化；随着暴露时间延长，MPs持续老化，其表面性质发生变化，并可能释放具有一定生物可利用性的MPs来源DOM，为微生物提供新的碳源和能量，进一步改变群落组成和代谢过程。因此，长期暴露条件下更容易观察到碳矿化及温室气体产生增强的趋势。此外，不同聚合物在化学组成、表面性质、老化行为和有机物释放能力等方面存在差异，也可能导致不同的生物地球化学响应。总体来看，MPs的生态效应并非静态不变，而可能随着“吸附—老化—释放—微生物响应”的过程动态变化。这一结果为解释以往研究中促进与抑制效应并存的现象提供了新的视角。

图 3 不同聚合物类型对CO2和CH4排放的时间依赖影响

从单一污染物效应到“MPs—DOM—微生物”耦合框架

本研究进一步提出，DOM并非MPs作用的简单环境背景，而可能是连接MPs与微生物碳氮代谢的重要中介。一方面，环境DOM能够吸附至MPs表面，并参与其界面反应和老化过程；另一方面，老化MPs也可能向环境释放有机物，改变DOM的数量、组成及生物可利用性。这些变化进一步影响微生物群落结构和代谢活动，并最终作用于有机碳矿化、甲烷生成及氮循环过程。因此，MPs的生态效应需要从传统的“污染物—生物”关系，拓展至“MPs—DOM—微生物—碳氮循环—温室气体”的多过程耦合体系。

图 4 MPs-DOM互作影响微生物群落结构与代谢功能的潜在机制

研究意义

本研究通过Meta分析与机制证据整合，为此前MPs促进或抑制温室气体排放的不一致结论提供了新的解释：其影响具有明显的情景依赖性，受到暴露时间、聚合物性质以及DOM—微生物过程的共同调控。这一结果提示，未来评估MPs的生态与气候效应时，除关注MPs浓度外，还应综合考虑聚合物类型、环境老化过程、暴露持续时间及背景DOM特征，从而更准确地认识MPs污染对水生态系统碳氮循环及温室气体排放的潜在影响。

论文信息

英文题目：Microbial Perspective: Regulatory Mechanisms of Interactions Between Microplastics and Dissolved Organic Matter on Greenhouse Gas Emissions in Aquatic Ecosystems

作者：Mengxin Xu, Meiqi Huang, Shuang Liu, Jinze He, Feng Zhao, Bo Shao, Guangli Mu, Hongyang Cui, Panpan Cui, Yingxin Zhao, Yiwen Liu, Xiaoyu Cui*, Yindong Tong*

期刊：Global Change Biology

DOI：10.1111/gcb.70969

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期刊简介

Global Change Biology (GCB) 是一本聚焦全球环境变化的国际期刊，致力于通过应对可持续发展、气候变化与环境保护、粮食与水安全供给以及全球健康等重大挑战来塑造未来、解决世界性难题。期刊旨在促进人们对全球变化影响生物系统及其解决方案的理解，是全球变化生物学领域的重要国际学术交流平台。

2025 JIF：12.5 ｜ CiteScore：21.1

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/13652486

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