2种微米级聚苯乙烯颗粒对菘...苗生长及土壤群落结构的影响_杨雅杰.pdf

生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 17 卷 第 6 期 2022 年 12 月Vol.17,No.6 Dec.2022 基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFC0408604)第一作者:杨雅杰(1997),女,硕士研究生,研究方向为微塑料对土培植物的影响,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20211116001杨雅杰,褚玲珑,宋新山,等.2 种微米级聚苯乙烯颗粒对菘蓝幼苗生长及土壤群落结构的影响J.生态毒理学报,2022,17(6):244-255Yang Y J,Chu L L,Song X S,et al.Effects of two micron-sized polystyrene particles onIsatis indigoticaseedlings growth and soil community structureJ.Asian Journal of Ecotoxicology,2022,17(6):244-255(in Chinese)2 种微米级聚苯乙烯颗粒对菘蓝幼苗生长及土壤群落结构的影响杨雅杰,褚玲珑,宋新山,赵晓祥*东华大学环境科学与工程学院,上海 201620收稿日期:2021-11-16 录用日期:2022-01-14摘要:微塑料由于其粒径小、比表面积高、难降解等特性对土壤环境、农作物的生长都带来了危害。以菘蓝为供试植物,探究了(775.9061.66)nm 和(50.071.29)m(分别命名为 S 组和 B 组)的聚苯乙烯微塑料(PS-NPs)对菘蓝种子和幼苗生长及根际土壤微生物组成的影响。结果显示,2 种粒径的 PS-NPs 对菘蓝种子发芽率和幼苗生物量均有促进作用,S 组对菘蓝叶片细胞膜的伤害率大于 B 组。PS-NPs 的添加使菘蓝叶片中丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性和过氧化物酶(POD)活性升高,且微塑料浓度越高,影响越大。较高浓度(1 000 mg kg-1)的微塑料胁迫下,B 组菘蓝叶片中 3 种酶活性均分别比 S 组高出 46.99%(SOD)、61.56%(CAT)、14.91%(POD)。此外高通量测序结果表明 PS-NPs 的添加增加了菘蓝根际土壤微生物群落多样性,群落多样性大小为:S 组B 组CK,处理组与对照组相比优势菌门相同但丰度有所变化,PS-NPs的添加使放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)丰度升高,而绿弯菌门(Chloroflexi)丰度降低。关键词:微塑料;聚苯乙烯;菘蓝;群落结构文章编号:1673-5897(2022)6-244-12 中图分类号:X171.5 文献标识码:AEffects of Two Micron-sized Polystyrene Particles on Isatis indigotica Seed-lings Growth and Soil Community StructureYang Yajie,Chu Linglong,Song Xinshan,Zhao Xiaoxiang*College of Environmental Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,ChinaReceived 16 November 2021 accepted 14 January 2022Abstract:Due to its small particle size,high specific surface area,and resistance to degradation,microplastics havebrought harm to the soil environment and the growth of crops.In this study,Isatis indigoticawas used as the testplant,and polystyrene microplastics(PS-NPs)with diameters of(775.9061.66)nm and(50.071.29)m(namedgroup S and group B,respectively)were used as microplastic model pollutants.Effects of microplastic onIsatis in-digoticaseed germination,seedlings growth,and rhizosphere soil microbial composition were investigated.The re-sults showed that PS-NPs with two particle sizes promoted the seed germination rate and seedling biomass ofIsatisindigotica,and the damage rate to the cell membrane ofIsatis indicaleaves in group S was higher than that of Bgroup,and the higher the plastic concentration,the greater impact.The existence of PS-NPs increased malondialde-第 6 期杨雅杰等:2 种微米级聚苯乙烯颗粒对菘蓝幼苗生长及土壤群落结构的影响245 hyde(MDA)content,superoxide dismutase(SOD)activity,catalase(CAT)activity,and peroxidase(POD)activityinIsatis indigoticaleaves.At higher concentration(1 000 mg kg-1),the activities of three enzymes inIsatis indig-oticaleaves in group B were 46.99%(SOD),61.56%(CAT),14.91%(POD)higher than those in group S,respec-tively.In addition,the high-throughput sequencing results showed that PS-NPs increased the microbial communitiesdiversity in the rhizosphere soil ofIsatis indigotica,and the community diversity was as follows:group Sgroup BCK.Compared with the control group,the dominant bacterial phyla in the treatment group was the same but theabundance changed,as shown in that PS-NPs increased the abundance of Actinobacteria and Proteobacteria,whilethe abundance of Chloroflexi decreased.Keywords:microplastic;polystyrene;Isatis indigotica;community structure 微塑料(microplastics)是指粒径5 mm 的塑料颗粒和碎片,目前对微塑料的研究已逐步从海洋环境转向土壤环境1,Boyle 和 rmeci2的研究表明陆地中微塑料的聚集量有可能达到海洋中的 4 倍 23倍,微塑料难降解会在土壤中长期存在,此外还会释放增塑剂等污染物3,微塑料对土壤微生物的运输、代谢等均有影响4-5。尤其是微塑料可以进入食物链6,从而对作物和人体健康产生威胁。塑料地膜覆盖和污泥的土地利用是土壤中微塑料最主要的两大来源7。聚苯乙烯被广泛应用于各行各业,但其残余价值低,不易循环再生,会对环境以及其中的动植物和微生物造成极大的影响8。纳米塑料已被证明可以穿透植物细胞壁9,每种植物对微塑料的吸收取决于多种因素,如根体积、密度和表面积,木质部体积和表面积、汁液酸碱度、蒸腾作用、细胞质和液泡的酸碱度10-11。目前一些与微塑料尺寸、形状和表面官能团相似的工程碳质纳米颗粒的研究已经在植物中开展12,研究表明微塑料可能是通过胞间连丝的内吞作用、离子转运通道、载体蛋白或水通道蛋白以及土壤碳13或根际分泌物的调节进入植物体内9,14。菘蓝是十字花科草本植物,俗称“板蓝根”,有很好的清热解毒功效,被广泛使用在医疗领域。目前关于聚苯乙烯纳米塑料对菘蓝的影响探究较少。本研究拟通过盆栽实验研究聚苯乙烯微塑料(PS-NPs)对菘蓝幼苗的生长特性、生理指标的影响,及土培植物根际土壤微生物群落对 PS-NPs 胁迫的响应。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 供试材料供试聚苯乙烯微塑料(PS-NPs)购买自东莞市樟木头广弘高分子材料公司,对材料进行扫描电子显微镜(SEM)表征,其粒径分别为(775.9061.66)nm(S 组)与(50.071.29)m(B 组),S 组 PS-NPs 表面较为光滑,B 组 PS-NPs 颗粒表面粗糙程度较高(图1)。2 种粒径的供试材料都分布均匀,且形貌规则、无杂质,纯度较高,故视为纯品。实验前将 2 种微粒进行超声处理(33 kHz,1 h),使其均匀分散在超纯水中。供试菘蓝(Isatis indigotica)种子购自安国市万草同源苗木花卉有限公司,挑选大小均一,颗粒饱满的种子用体积分数为 10%的次氯酸钠溶液浸泡 10min 后冲洗 3 5 次,再置于超纯水中浸泡 30 min,用滤纸吸干表面水份后均匀放置在土样中,种子埋深约为 2 cm,用霍格兰营养液保持土壤含水量 60%左右,模拟室温条件(262),发芽期间避光培养,发芽后的生长阶段采用光谱植物生长灯对植物进行光照(12 h 12 h;辐射量(305)W m-2)。1.2 供试土壤土壤采集于上海市松江区农田的表层土(采样深度约为20 25 cm),除去可见植物残渣后过2 mm筛,采用常规方法15测定土壤理化性质,结果如表 1所示。1.3 实验设计针对 2 种粒径的 PS-NPs 分别设置 4 个浓度的污染土壤(10、100、500 和 1 000 mgkg-1)(标号为B10、B100、B500、B1000;S10、S100、S500、S1000),以不添加 PS-NPs 的土壤为对照(CK)。将处理后的菘蓝种子播种在配制好 PS-NPs 土样里,对照实验中将种子固定在不含 PS-NPs 的土壤中,每组重复3 次。1.3.1 种子发芽实验发芽试验每盆设置300 g 土,每盆播种种子50粒,当胚芽均超过 2 mm 时视为发芽,连续 3 d 没有新芽时视为发芽结束。实验结束后计算种子发芽率。1.3.2 植株表型实验菘蓝种子发芽后继续培养,共暴露70 d,培养结束后将植株从土壤中小心取出,用自来水冲洗后再246 生态毒理学报第 17 卷用去离子水冲洗 3 次,滤纸擦干后摆放整齐进行拍照,用 image J 软件测量不同处理下菘蓝的株高,称量鲜质量,再将新鲜植株置于 65 烘箱 24 h 后取出,称量质量得到干质量数据。计算各处理下的幼苗含水率和抑制率。含水率=鲜质量-干质量鲜质量100%(1)抑制率=实验组测定值-空