纳米塑料与盐胁迫对菠菜种子和幼苗的毒性效应_郭琳琳.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（6）:1257-12662023年6月郭琳琳，刘盼，王晶晶，等.纳米塑料与盐胁迫对菠菜种子和幼苗的毒性效应J.农业环境科学学报,2023,42（6）：1257-1266.GUO L L,LIU P,WANG J J,et al.Toxicity of the combination of nanoplastics and salt stress on seeds and seedlings of Spinacia oleracea L.J.Journal ofAgro-Environment Science,2023,42（6）：1257-1266.纳米塑料与盐胁迫对菠菜种子和幼苗的毒性效应郭琳琳1，刘盼1，王晶晶2，谌柄旭3（1.沧州师范学院生命科学系，河北 沧州 061001；2.大连大学生命健康学院，辽宁 大连 116622；3.沧州环创环保技术服务有限公司，河北 沧州 061001）Toxicity of the combination of nanoplastics and salt stress on seeds and seedlings of Spinacia oleracea L.GUO Linlin1,LIU Pan1,WANG Jingjing2,CHEN Bingxu3（1.Department of Life Science,Cangzhou Normal University,Cangzhou 061001,China;2.College of Life and Health,Dalian University,Dalian 116622,China;3.Cangzhou Huanchuang Environmental Protection Technology Service Co.,LTD.,Cangzhou 061001,China）Abstract：This study aimed to understand the impact of nanoplastics and salt stress on vegetable crops.Specifically,we investigated theeffects of polystyrene nanoplastics（PSNPs）（200,400,800 mgL-1,and 1 600 mgL-1）with a particle size of 100 nm and also thecombinatorial effect of PSNPs and NaCl（50,100,150 mmolL-1,and 200 mmolL-1）on the seed germination and seedling growth ofspinach（Spinacia oleracea L.）.We noticed that,in comparison to the control,single PSNPs treatments（200 mgL-1）significantly reducedthe germination rate,vigor,and index of spinach seeds.Further,superoxide dismutase（SOD）activity was decreased,and the solubleprotein content was significantly increased under cultivation with PSNPs（400 mgL-1）.Moreover,low concentrations of PSNPs promotedperoxidase（POD）activity and increased chlorophyll content,while high PSNPs concentrations also induced an inhibitory effect on PODand chlorophyll.Compared with NaCl alone,treatments with low（200 mgL-1）or high（800 mgL-1）concentrations of PSNPs and NaCl（PSNPs+NaCl）reduced germination rate,vigor,and index of spinach seeds,and aggravated the inhibitory effects of NaCl.The combined收稿日期：2022-11-01录用日期：2022-12-16作者简介：郭琳琳（1988），女，河北沧州人，硕士，讲师，从事污染生态学与生态毒理学研究。E-mail：基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZD2021401）；沧州市重点研发计划指导项目（213109014）Project supported：The Key Project of Science and Technology Research of the Higher Education Institutions of Hebei Province，China（ZD2021401）；TheGuidance Project of Key Research and Development Plan of Cangzhou，China（213109014）摘要：为探究纳米塑料与盐胁迫对蔬菜作物的影响，选取菠菜（Spinacia oleracea L.）作为受试植物，研究粒径为100 nm的聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs，200、400、800、1 600 mgL-1）和NaCl（50、100、150、200 mmolL-1）单一以及二者复合对种子萌发和幼苗生长特性的影响。结果表明：与空白对照组相比，单一PSNPs胁迫（200 mgL-1）显著降低菠菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，单一PSNPs胁迫（400 mgL-1）还显著抑制菠菜幼苗超氧化物歧化酶（SOD）的活性，显著提高可溶性蛋白的含量，而对过氧化物酶（POD）的活性以及叶绿素含量的影响表现为“低促高抑”的作用规律。与NaCl单独胁迫相比，低浓度（200 mgL-1）和高浓度（800 mgL-1）的PSNPs与NaCl复合污染均进一步降低了菠菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，加剧了对种子萌发的抑制作用。相比于NaCl单独胁迫，PSNPs-NaCl复合污染对菠菜幼苗的影响主要表现为不同浓度的PSNPs与NaCl复合会进一步显著降低POD的活性，而提高可溶性蛋白的含量，低浓度（200 mgL-1）PSNPs与NaCl复合显著抑制SOD的活性，而高浓度（800mgL-1）PSNPs与NaCl复合显著提高SOD的活性。研究表明，PSNPs对菠菜的种子和幼苗存在明显的毒性效应，并会加剧盐胁迫对菠菜的影响，毒性作用主要涉及种子的萌发、幼苗的可溶性蛋白、叶绿素以及抗氧化系统。关键词：纳米塑料；盐胁迫；菠菜；种子萌发；幼苗生长中图分类号：X173文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）06-1257-10doi:10.11654/jaes.2022-1090农业环境科学学报第42卷第6期塑料在我们的日常生活中被广泛使用，大约99%的塑料制品在使用后被排放到陆地环境中1。塑料在外界条件的作用下，可降解为粒径5 mm的颗粒或碎片，即微塑料（MPs）2。近年来，MPs因其分布广、粒径小、迁移快、难降解以及可能带来的生态风险等因素，已成为全球广泛关注的环境问题。在已有的研究中，大量有关MPs污染的报道多集中在水生生态系统，而对土壤生态系统却缺乏研究3。土壤生态系统作为人类粮食生产的主要载体，也是MPs的主要分布场所。环境中的MPs通过废水灌溉、大气沉积、塑料地膜降解、聚合肥的施用等途径进入土壤，并对植物的生长发育产生危害，其影响直接关系到农产品的安全，进而威胁人类健康4。一个微塑料颗粒可以破碎成1014个量级以上的直径100 nm的纳米塑料（NPs）颗粒5。Sun等6的研究发现不同表面电荷的NPs可以显著降低拟南芥植物的高度和质量，且带正电的NPs不容易穿透植物组织，对植物生长有更显著的影响。NPs通过增加生菜活性氧的含量，进一步破坏叶绿体结构，抑制光合活性，从而降低叶绿素和类胡萝卜素的含量7。也有研究发现，NPs会对植物的氧化应激产生影响，例如50mgL-1和100 mgL-1的粒径20 nm的NPs会提高过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的活性，而当浓度为10 mgL-1时，则不存在这种影响5。NPs 因粒径小而更容易附着到生物体表面，引起更为复杂的毒理效应，但是NPs对植物影响的研究还非常少，需进一步开展更为有效的研究。另外，土壤除受到塑料污染外，还受到盐渍化的威胁。河北东部滨海地区处在水陆交接地带，土壤盐渍化程度较为严重8。微量的盐分对植物的生长代谢有一定的促进作用，而滨海地区盐渍土壤中盐分较高，养分贫瘠，因此会抑制农作物和植物的生命代谢过程9。环境中绝对意义的单一污染极少，更多的是多种污染物共同存在10。土壤MPs和土壤盐渍化作为两类重要的污染来源，其单一作用和联合胁迫对农作物的影响还未见报道。菠菜作为河北地区主要的蔬菜作物被广泛种植，有关盐胁迫对菠菜的影响已有较多研究，而单一MPs尤其是较小的NPs胁迫，以及其与盐胁迫复合作用对菠菜种子萌发和幼苗生长的研究还未见报道。因此，本文以菠菜作为供试植物，以NaCl和聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）为研究对象，研究单一PSNPs或NaCl以及两者复合污染对菠菜种子萌发和幼苗生长的影响，为探究共污染对农作物的毒理学效应以及评估NPs对土壤生态系统的影响提供理论依据。1材料与方法1.1 供试材料1.1.1 供试种子供试小叶菠菜种子购于当地某农贸市场。1.1.2 供试微塑料单分散聚苯乙烯微球购于无锡瑞格生物技术有限责任公司，粒径为（10010）nm。1.2 试验设计1.2.1 种子萌发实验选取颗粒饱满、大小均匀、状态良好的种子剥掉外壳，浸泡于 1%H2O2溶液消毒 30 min，再用蒸馏水冲洗多次，吸干表面水分后晾干备用。将10粒菠菜种子放入铺有纱布的直径为9 cm的培养皿中。结合我国西南部地区可耕种土壤每千克土的MPs含量为7.11034.3104个11，参考 Giorgetti 等12和黄献培等13的研究，以及前期的预试验结果对PSNPs的浓度进行设置。NaCl浓度的设置主要参考Ugun等14的研究，以及前期的预试验结果。单一胁迫试验：在上述培养皿中分别加入2 mL浓度为200、400、800、1 600 mgL-1的PSNPs悬浮液；或分别加入2 mL浓度为50、100、150、200 mmolL-1的NaCl溶液。PSNPs-NaCl复合污染组：在上述培养皿中加入2 mL PSNPs（200 mgL-1和 800 mgL-1）及 NaCl（50mmolL-1和150 mmolL-1）的复合溶液。对照组：加入2 mL蒸馏水进行培养。effects of PSNPs+NaCl pollution on seedlings were as follows：PSNPs+NaCl contamination significantly decreased POD activity andincreased soluble protein content.However,200 mgL-1PSNPs+NaCl led to a decline in SOD activity,while 800 mgL-1PSNPs+NaClenhanced it.These results indicate that PSNP