近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院占新華教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊《Journal of Hazardous Materials》上發(fā)表了題為“Risks of microplastics from polyurethane and polyethylene-polycarbonate coated fertilizers to soil-crop system”的研究論文，揭示了包膜肥源微塑料對(duì)作物生長(zhǎng)及土壤生態(tài)功能的多維影響機(jī)制，為包膜肥的環(huán)境安全評(píng)估及農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

控釋包膜肥料因其養(yǎng)分釋放可控、利用率高、減施增效顯著，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)手段。然而，其聚合物外殼在長(zhǎng)期施用、機(jī)械擾動(dòng)及環(huán)境老化過(guò)程中易發(fā)生斷裂與碎片化，產(chǎn)生大量難降解的微塑料(MPs)顆粒。這些MPs可在農(nóng)田土壤中長(zhǎng)期累積，改變土壤理化性質(zhì)與微生物群落結(jié)構(gòu)，干擾植物根際生態(tài)過(guò)程，并可通過(guò)食物鏈傳遞，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和食品安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。盡管已有一些關(guān)于傳統(tǒng)塑料微粒的生態(tài)毒理研究，但針對(duì)包膜肥衍生MPs的植物響應(yīng)及土壤生化效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)性研究。

該研究選取聚氨酯（polyurethane, PU）與聚乙烯-聚碳酸酯（polyethylene-polycarbonate, PE-PC）兩類(lèi)常見(jiàn)包膜材料，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)評(píng)估了兩類(lèi)MPs對(duì)番茄（Solanum lycopersicum）不同生長(zhǎng)階段的生理效應(yīng)及其對(duì)土壤酶活性的影響。結(jié)果表明，PU和PE-PC MPs顯著降低了7天發(fā)芽率，分別下降12.5–17.5%和12.5–21.7%，并抑制了幼苗早期生長(zhǎng)。有趣的是，在45天生長(zhǎng)期階段，無(wú)論P(yáng)U還是PE-PC MPs均未表現(xiàn)出明顯的植物毒性，甚至促進(jìn)了番茄植株的總鮮重。葉綠素分析顯示，1% PU MPs略微提高葉綠素含量，而高濃度PE-PC MPs則降低葉綠素含量。土壤酶分析顯示，β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性增加，但尿素酶活性變化不顯著。

圖1.包膜肥源微塑料對(duì)番茄生態(tài)系統(tǒng)影響示意圖

通過(guò)基于距離的冗余分析（distance-based redundancy analysis, db-RDA）揭示了MPs類(lèi)型與濃度對(duì)植物生理特征與土壤酶活性的協(xié)同影響機(jī)制。MPs濃度是影響植物抗氧化反應(yīng)與土壤代謝活性的關(guān)鍵因子，而MPs類(lèi)型則在不同階段表現(xiàn)出差異化效應(yīng)。高濃度PU MPs與光合色素及根系代謝活性呈正相關(guān)，而PE-PC MPs與氧化酶活性和pH變化更為相關(guān)，顯示其對(duì)土壤氧化還原過(guò)程具有更強(qiáng)干擾性。

圖2. MPs濃度和類(lèi)型對(duì)番茄生長(zhǎng)相關(guān)參數(shù)影響的Db-RDA分析

該研究從植物生理響應(yīng)、根際酶學(xué)特征與統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)機(jī)制三個(gè)層面系統(tǒng)闡明了包膜肥衍生MPs在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的生物學(xué)效應(yīng)及作用途徑。結(jié)果表明，包膜肥MPs在作物早期生長(zhǎng)階段具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但在植株生長(zhǎng)后期可能通過(guò)抗氧化調(diào)控與生理適應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)緩解。研究指出，MPs對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響具有階段性與種類(lèi)特異性，長(zhǎng)期積累仍可能對(duì)土壤健康與養(yǎng)分循環(huán)造成潛在干擾。該成果為理解農(nóng)業(yè)面源MPs污染的發(fā)生機(jī)制與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供了新的證據(jù)，并為控釋肥料包膜材料設(shè)計(jì)的優(yōu)化、施肥管理及農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供了重要參考。

資環(huán)學(xué)院2023級(jí)博士研究生李俊鎖為第一作者，占新華教授為通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140181