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

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生态毒理学报第17卷第6期2022年12月AsianJournalofEcotoxicologyVol.17,No.6Dec.2022DOI: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):244-255YangYJ,ChuLL,SongXS,etal.Effectsoftwomicron-sizedpolystyreneparticlesonIsatisindigoticaseedlingsgrowthandsoilcommunitystructure[J].AsianJournalofEcotoxicology,2022,17(6):244-255(inChinese)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(775.90±61.66)nm和(50.07±1.29)μm(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-1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(1000mg·kg)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:AEffectsofTwoMicron-sizedPolystyreneParticlesonIsatisindigoticaSeed-lingsGrowthandSoilCommunityStructure*YangYajie,ChuLinglong,SongXinshan,ZhaoXiaoxiangCollegeofEnvironmentalScienceandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620,ChinaReceived16November2021accepted14January2022Abstract:Duetoitssmallparticlesize,highspecificsurfacearea,andresistancetodegradation,microplasticshavebroughtharmtothesoilenvironmentandthegrowthofcrops.Inthisstudy,Isatisindigoticawasusedasthetest□plant,andpolystyrenemicroplastics(PS-NPs)withdiametersof(775.90±61.66)nmand(50.07±1.29)μm(namedgroupSandgroupB,respectively)wereusedasmicroplasticmodelpollutants.EffectsofmicroplasticonIsatisin-digoticaseedgermination,seedlingsgrowth,andrhizospheresoilmicrobialcompositionwereinvestigated.There-□sultsshowedthatPS-NPswithtwoparticlesizespromotedtheseedgerminationrateandseedlingbiomassofIsatisindigotica,andthedamageratetothecellmembraneofIsatisindicaleavesingroupSwashigherthanthatofB□group,andthehighertheplasticconcentration,thegreaterimpact.TheexistenceofPS-NPsincreasedmalondialde-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:ysust2015@163.com*通信作者(Correspondingauthor),E-mail:zxx@dhu.edu.cn

1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245hyde(MDA)content,superoxidedismutase(SOD)activity,catalase(CAT)activity,andperoxidase(POD)activity-1inIsatisindigoticaleaves.Athigherconcentration(1000mg·kg),theactivitiesofthreeenzymesinIsatisindig-oticaleavesingroupBwere46.99%(SOD),61.56%(CAT),14.91%(POD)higherthanthoseingroupS,respec-□tively.Inaddition,thehigh-throughputsequencingresultsshowedthatPS-NPsincreasedthemicrobialcommunitiesdiversityintherhizospheresoilofIsatisindigotica,andthecommunitydiversitywasasfollows:groupS>groupB>CK.Comparedwiththecontrolgroup,thedominantbacterialphylainthetreatmentgroupwasthesamebuttheabundancechanged,asshowninthatPS-NPsincreasedtheabundanceofActinobacteriaandProteobacteria,whiletheabundanceofChloroflexidecreased.Keywords:microplastic;polystyrene;Isatisindigotica;communitystructure微塑料(microplastics)是指粒径<5mm的塑料颗较为光滑,B组PS-NPs颗粒表面粗糙程度较高(图粒和碎片,目前对微塑料的研究已逐步从海洋环境1)。2种粒径的供试材料都分布均匀,且形貌规则、无[1][2]转向土壤环境,Boyle和Örmeci的研究表明陆地杂质,纯度较高,故视为纯品。实验前将2种微粒进中微塑料的聚集量有可能达到海洋中的4倍~23行超声处理(33kHz,1h),使其均匀分散在超纯水中。倍,微塑料难降解会在土壤中长期存在,此外还会释供试菘蓝(Isatisindigotica)种子购自安国市万草[3]□放增塑剂等污染物,微塑料对土壤微生物的运输、同源苗木花卉有限公司,挑选大小均一,颗粒饱满的[4-5]代谢等均有影响。尤其是微塑料可以进入食物种子用体积分数为10%的次氯酸钠溶液浸泡10[6]链,从而对作物和人体健康产生威胁。塑料地膜min后冲洗3~5次,再置于超纯水中浸泡30min,覆盖和污泥的土地利用是土壤中微塑料最主要的两用滤纸吸干表面水份后均匀放置在土样中,种子埋[7]大来源。聚苯乙烯被广泛应用于各行各业,但其深约为2cm,用霍格兰营养液保持土壤含水量60%残余价值低,不易循环再生,会对环境以及其中的动左右,模拟室温条件(26±2)℃,发芽期间避光培养,[8]植物和微生物造成极大的影响。发芽后的生长阶段采用光谱植物生长灯对植物进行[9]纳米塑料已被证明可以穿透植物细胞壁,每光照(12h∶12h;辐射量(30±5)W·m-2)。种植物对微塑料的吸收取决于多种因素,如根体积、1.2供试土壤密度和表面积,木质部体积和表面积、汁液酸碱度、土壤采集于上海市松江区农田的表层土(采样[10-11]蒸腾作用、细胞质和液泡的酸碱度。目前一些深度约为20~25cm),除去可见植物残渣后过2mm与微塑料尺寸、形状和表面官能团相似的工程碳质[15]筛,采用常规方法测定土壤理化性质,结果如表1[12]纳米颗粒的研究已经在植物中开展,研究表明微所示。塑料可能是通过胞间连丝的内吞作用、离子转运通1.3实验设计[13]道、载体蛋白或水通道蛋白以及土壤碳或根际分针对2种粒径的PS-NPs分别设置4个浓度的[9,14]泌物的调节进入植物体内。菘蓝是十字花科草-1污染土壤(10、100、500和1000mg·kg)(标号为本植物,俗称“板蓝根”,有很好的清热解毒功效,被B10、B100、B500、B1000;S10、S100、S500、S1000),广泛使用在医疗领域。目前关于聚苯乙烯纳米塑料以不添加PS-NPs的土壤为对照(CK)。将处理后的对菘蓝的影响探究较少。本研究拟通过盆栽实验研菘蓝种子播种在配制好PS-NPs土样里,对照实验中究聚苯乙烯微塑料(PS-NPs)对菘蓝幼苗的生长特将种子固定在不含PS-NPs的土壤中,每组重复3次。性、生理指标的影响,及土培植物根际土壤微生物群1.3.1种子发芽实验落对PS-NPs胁迫的响应。发芽试验每盆设置300g土,每盆播种种子501材料与方法(Materialsandmethods)粒,当胚芽均超过2mm时视为发芽,连续3d没1.1供试材料有新芽时视为发芽结束。实验结束后计算种子发供试聚苯乙烯微塑料(PS-NPs)购买自东莞市樟芽率。木头广弘高分子材料公司,对材料进行扫描电子显1.3.2植株表型实验微镜(SEM)表征,其粒径分别为(775.90±61.66)nm菘蓝种子发芽后继续培养,共暴露70d,培养结(S组)与(50.07±1.29)μm(B组),S组PS-NPs表面束后将植株从土壤中小心取出,用自来水冲洗后再

2246生态毒理学报第17卷[16]用去离子水冲洗3次,滤纸擦干后摆放整齐进行拍斯亮蓝G-250染色法、超氧阴离子含量测定参[16]照,用imageJ软件测量不同处理下菘蓝的株高,称考高俊凤等的方法,丙二醛(MDA)含量测定用[17][18]量鲜质量,再将新鲜植株置于65℃烘箱24h后取硫代巴比妥酸法。叶片抗氧化酶活性测定出,称量质量得到干质量数据。计算各处理下的幼中,SOD活性测定用氮蓝四唑法,POD活性测定苗含水率和抑制率。用愈创木酚分光光度法,CAT活性测定用高锰酸鲜质量-干质量钾滴定法。含水率=×100%(1)鲜质量分别取PS-NPs处理下的土壤(S100、S1000和实验组测定值-空白组测定值B100、B1000)及不添加塑料微粒的空白组(CK)土抑制率=×100%(2)空白组测定值壤,委托上海派森诺生物科技有限公司在Illumina1.3.3指标测定平台对群落DNA片段进行二代双端(Paired-end)测生长试验每盆设置500g土,待菘蓝种子长出序,测序引物为F:ACTCCTACGGGAGGCAGCA;R:四片真叶后再暴露14d收样。取菘蓝叶片用去离TCGGACTACHVGGGTWTCTAAT,测序区域为16S子水再冲洗3次后用滤纸拭干表面水份,剩余叶片_V3V4,选用Silva_132数据库,原始数据以FASTQ置于-80℃冰箱保存待测。格式保存,进行DADA2序列去噪和Vsearch聚类,用电导仪测定外渗液的电解质含量,以表征胁获得OTU代表序列后对其长度分布进行统计,再进迫对植物细胞膜的伤害。可溶性蛋白测定用考马行物种分类学注释。图12种聚苯乙烯微塑料(PS-NPs)扫描电子显微镜(SEM)表征图注:(a)S组PS-NPs(放大×100k);(b)B组PS-NPs(放大×5.00k);(c).S组PS-NPs(放大×20.00k);(d)B组PS-NPs(放大×15.00k)。Fig.1Scanningelectronmicroscope(SEM)characterizationimagesofpolystyrenemicroplastics(PS-NPs)Note:(a)SgroupPS-NPs(×100k);(b)BgroupPS-NPs(×5.00k);(c)SgroupPS-NPs(×20.00k);(d)BgroupPS-NPs(×15.00k).表1供试土壤理化性质Table1Physicalandchemicalpropertiesofexperimentalsoil-1-1-1土壤pH含水率/%速效磷/(g·kg)速效钾/(g·kg)硝态氮/(mg·kg)SoilpHMoisturecontent/%Olsen-P/(g·kg-1)EffectiveK/(g·kg-1)Nitrate/(mg·kg-1)8.13±0.0045.56±0.5020.55±0.01270.05±0.00510.33±0.011

3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2471.3.4数据统计分析芽数最多;B处理组中发芽初期PS-NPs对发芽率影-1所有试验数据均进行单因素方差分析,并用误响不明显,中后期10、100、1000mg·kg处理下种差棒表示标准误差,用MicrosoftExcel和SPSS13.0子的发芽数接近,均高于CK组。进行处理,用Origin2018作图,图中所示数据均为3组平行实验的平均值。2结果(Results)2.1不同浓度聚苯乙烯对菘蓝种子发芽率和生长表型的影响2.1.1不同浓度聚苯乙烯对菘蓝种子发芽率的影响种子萌发是指种子从吸胀作用开始的一系列的生理过程,了解种子的萌发情况对播种后早出苗、出全苗极为重要。在为期25d的发芽过程里,2种PS-NPs添加下菘蓝种子的发芽率如图2所示。可见PS-NPs对菘蓝种子的发芽有显著促进作用,10-1mg·kgB组PS-NPs对发芽的促进作用最明显,其-1发芽率比CK高约30.00%。1000mg·kg胁迫浓度下S组、B组之间对发芽的促进无显著差异,约比CK高出20.00%。图2PS-NPs对菘蓝种子发芽率的影响实验中菘蓝种子日发芽情况如图3所示,将发注:字母不同表示差异显著,P<0.05。芽过程分为初(3~9d)、中(11~19d)、后(19~25d)3Fig.2ThegerminationrateofIsatisindigoticaseedstreated个时期。与CK相比,S处理中发芽初期1000mg·withdifferentparticlesizesofPS-NPs-1-1Note:Differentlettersindicatesignificantdifferences,P<0.05.kg的促进作用明显,中期10mg·kg的处理组发图3不同PS-NPs处理下菘蓝种子日发芽情况注:(a)S组PS-NPs处理下菘蓝的日发芽数;(b)B组PS-NPs处理下菘蓝的日发芽数;字母不同表示差异显著,P<0.05。Fig.3DailygerminationofIsatisindigoticaseedstreatedwithdifferentPS-NPsNote:(a)DailygerminationnumbersofIsatisindigoticawithtreat-SPS-NPs;(b)DailygerminationnumbersofIsatisindigoticawithtreat-BPS-NPs;differentlettersindicatesignificantdifferences,P<0.05.

4248生态毒理学报第17卷2.1.2不同浓度聚苯乙烯对菘蓝植株株高、质量和倍和2.51倍。含水率的影响株高和鲜质量、干质量是植物学形态调查的基本要素。如表2所示,不同浓度S处理均促进了幼苗株高、鲜质量和干质量,随着胁迫浓度的升高,促-1进效果减弱;如表3所示,100、500和1000mg·kg-1的B处理抑制了幼苗株高,但1000mg·kg处理对-1鲜质量的促进率低于500mg·kg;2种PS-NPs对含水率都几乎无影响。2.2不同浓度聚苯乙烯对菘蓝幼苗抗逆性的影响2.2.1不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片细胞膜伤害率的影响由图4可知,处理组植株叶片细胞膜伤害率均显著高于CK,且S处理对菘蓝叶片细胞膜的伤害-1率均大于B处理,10、100和500mg·kg的S组PS-NPs比B组对细胞膜的伤害率分别高出11.48%、5.55%和5.24%,此外随着浓度的增加微塑料对细图4PS-NPs对菘蓝叶片细胞膜伤害率的影响注:字母不同表示差异显著,P<0.05。胞膜的伤害率逐步增加,当PS-NPs的浓度为Fig.4EffectsofPS-NPsoncellmembranedamagerate-11000mg·kg时,S组、B组对细胞膜的伤害率达ofIsatisindigoticaleaves到最大,分别为76.97%和76.30%,约为CK的2.53Note:Differentlettersindicatesignificantdifferences,P<0.05.表2S组PS-NPs处理对菘蓝幼苗生物量的影响Table2EffectsofSgroupPS-NPstreatmentsonbiomassofIsatisindigoticaseedlings-1PS-NPs添加量/(mg·kg)株高/cm促进率/%鲜质量/g促进率/%干质量/g促进率/%MassofPS-NPsPlantheight/cmPromotionrate/%Freshmass/gPromotionrate/%Drymass/gPromotionrate/%-1/(mg·kg)02.24±0.048-1.16±0.875-0.10±0.00691.39104.37±0.19294.921.89±0.13263.330.16±0.00691.291004.00±0.22778.591.58±0.08735.910.16±0.00889.795003.37±0.07250.452.18±0.18287.510.23±0.01189.4410003.52±0.07657.092.17±0.17387.170.18±0.03691.67表3B组PS-NPs处理对菘蓝幼苗生物量的影响Table3EffectsofBgroupPS-NPstreatmentsonbiomassofIsatisindigoticaseedlings-1PS-NPs添加量/(mg·kg)株高/cm促进率/%鲜质量/g促进率/%干质量/g促进率/%MassofPS-NPsPlantheight/cmPromotionrate/%Freshmass/gPromotionrate/%Drymass/gPromotionrate/%-1/(mg·kg)02.24±0.048-1.16±0.875-0.10±0.00691.38104.21±0.15123.882.89±0.335149.270.19±0.05593.401002.35±0.051-30.902.04±0.41976.060.18±0.16891.245001.91±0.017-43.911.87±0.37260.720.17±0.03090.7310002.12±0.203-37.621.89±0.13162.530.12±0.02293.54

5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2492.2.2不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片可溶性蛋白Shannon指数、Pielou指数和Chao1指数分别高出S含量的影响组7.52%、3.42%和73.06%,而胁迫浓度为100mg·-1可溶性蛋白是重要的调节物质和营养物质,其kg时S组分别高出B组17.94%(Shannon指数)、积累可以提高细胞的保水能力,对细胞的生命物质0.11%(Pielou指数)和67.89%(Chao1指数)。及生物膜起到保护作用。如图5所示,10、100和-1500mg·kg不同PS-NPs胁迫下的菘蓝叶片可溶性蛋白含量与CK无显著差异;PS-NPs浓度为1000-1-1mg·kg时S处理可溶性蛋白含量为2.54mg·g,B-1处理为2.90mg·g,分别比CK高出29.81%和48.25%。2.2.3不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片丙二醛含量的影响如图6所示,与CK相比PS-NPs胁迫下菘蓝叶片的MDA含量显著升高,并与胁迫浓度呈正相关,-1在0~500mg·kg浓度范围内S组显著高于B-1组,1000mg·kg时S组、B组MDA含量无显著差-1异,并且可以看出B组植株在500~1000mg·kg-1的胁迫浓度范围里MDA含量由0.22mmol·g增加-1至0.39mmol·g,此阶段升高了76.16%,1000mg·-1kg下MDA含量约是CK的7.05倍。图5PS-NPs对菘蓝叶片可溶性蛋白含量的影响2.2.4不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片抗氧化酶活注:字母不同表示差异显著,P<0.05。性的影响Fig.5EffectsofPS-NPsonsolubleproteincontentofIsatisindigoticaleaves如图7所示,处理组菘蓝叶片中SOD、CAT、Note:Differentlettersindicatesignificantdifferences,P<0.05.-1-1POD活性均高于CK。10mg·kg、100mg·kg下S组、B组的SOD活性无显著性差异,CAT、POD活-1-1性S组显著高于B组;500mg·kg、1000mg·kg下B组SOD、POD活性分别约为S组的1.36倍、1.47倍和3.59倍、4.55倍。S组POD活性在试验期-1间上下波动,1000mg·kg下达到最大,约为CK的-13.57倍;B组CAT活性在500~1000mg·kg从-1-1-1-1136.13U·g·min跃增至289.08U·g·min,增长了1.12倍。2.3不同浓度聚苯乙烯对菘蓝根际土壤细菌群落结构的影响2.3.1不同浓度聚苯乙烯对菘蓝根际土壤细菌群落多样性指数的影响如表4所示,对PS-NPs处理后的植物根系土壤微生物群落多样性进行分析,Shannon指数、Simp-son指数反映样品中微生物多样性,Chao1指数反图6PS-NPs对菘蓝叶片的丙二醛(MDA)含量的影响映样品群落丰富度,Pielou指数反映样品物种均匀注:字母不同表示差异显著,P<0.05。Fig.6EffectsofPS-NPsonmalondialdehyde(MDA)content度。处理组的Shannon指数均高于CK,说明PS-ofIsatisindigoticaleavesNPs的添加可以增加样品微生物群落的多样性。胁Note:Differentlettersindicatesignificantdifferences,P<0.05.-1迫浓度为1000mg·kg时,B组样品微生物群落

6250生态毒理学报第17卷图7PS-NPs对菘蓝叶片抗氧化酶活性的影响注:字母不同表示差异显著,P<0.05。Fig.7EffectsofPS-NPsonantioxidantenzymesactivityofIsatisindigoticaleavesNote:Differentlettersindicatesignificantdifferences,P<0.05.表4样品生物多样性指数Table4Samplebiodiversityindex多样性指数DiversityindexCKS1000S100B1000B100香农指数Shannonindex10.4610.8810.9711.7010.77辛普森指数Simpsonindex0.990.990.990.990.99Pielou均匀度指数Pielou-e0.880.910.890.910.89Chao1指数Chao1index4168.854464.724903.757726.474592.02测序深度指数Goodscoverage0.980.990.990.960.98如图8所示,CK组样品中有2949个OTUs,S17.70%(B组),可见B组OTUs数目较多且有更多组样品中有5950个OTUs,B组样品中有8341个特有的OTUs。由图9可知,处理组样品中的物种丰OTUs。3个样品共有OTUs数为1476个,分别占富度高于CK,3个样品稀释曲线随序列数的增加均各自OTUs总数的50.05%(CK)、24.81%(S组)和趋于平缓,表明测序数据量合理,测序结果真实可信。

7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2512.3.2不同浓度聚苯乙烯对菘蓝根际土壤细菌群落组成的影响如图10所示,根据物种注释结果,不同微塑料添加下供试土样门水平上相对丰度大于1%的有8个,分别为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、Patescibacteria和Latescibacteria。CK组中放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门相对丰度分别为42.78%、27.69%、13.64%、6.73%;与CK相比,S100、S1000、B1000处理中放线菌门丰度分图8样品中OTUs分布Venn图Fig.8VenndiagramonOTUsdistributioninsample别降低了15.30%、21.87%、21.21%;处理组变形菌门丰度均高于CK,分别提高了31.80%(S100)、25.73%(S1000)、12.64%(B100)、21.68%(B1000)。3讨论(Discussion)3.1不同浓度聚苯乙烯对菘蓝种子发芽率和生长表型的影响当PS-NPs添加量较高时激发了种皮对种子的保护机制,在胚胎与周围环境之间形成了屏障,-1故1000mg·kg下S组与B组对发芽率的促进作用无显著差异。处理组植物的形态学指标比CK均有增加,也有研究表明PS-NPs并不会对小麦的根系生长产生[19][20]抑制,徐荣乐和海热提在塑料地膜对小麦种子萌发影响的研究中发现,相同浓度下厚度为0.03图9样品中OTUs的稀释曲线mm的地膜对小麦芽长的影响大于0.08mm地膜,Fig.9RarefactioncurveofOTUsinsample这也和本实验研究结果一致。图10根际土壤微生物门水平物种相对丰度Fig.10Relativeabundanceofhorizontalspeciesofrhizospheresoilbacterialflora

8252生态毒理学报第17卷3.2不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片细胞膜伤害率与B组SOD活性无显著差异,当胁迫浓度为500-1-1的影响mg·kg和1000mg·kg时,大粒径的PS-NPs增强[29]本研究中PS-NPs对菘蓝叶片细胞膜的伤害率了SOD编码基因的表达,故B组SOD活性高于-1[30]均显著高于CK,有研究表明10mg·L的PS-NPsS组。Jiang等的研究表明蚕豆在聚苯乙烯微塑[19]会显著增加小麦叶片中的电解质外渗率。有研究料的胁迫下其SOD活性增加,并且通过遗传学证明表明较小粒径的微塑料更容易对细胞膜产生伤害,100nm的PS-NPs比5μm的PS-NPs对蚕豆有更强100nm和300nmPS-NPs微球中的大分子键在植的氧化损伤,这和本次实验结果一致。[21]物茎中发生了断裂,小粒径PS-NPs运输至叶片处理组CAT活性均显著高于CK,有研究表明时已经是小分子键,内聚力降低,对叶片细胞膜的伤在塑料微珠对铜绿微囊藻胁迫的1~9d内,藻细胞[22]-1[31]-1-1害程度加深。当胁迫浓度为1000mg·kg时,过CAT活性显著增高。10mg·kg和100mg·kg多的PS-NPs已经对叶片表皮、叶肉和叶脉的正常浓度下S组CAT、POD活性均大于B组,1000mg·-1生理过程均产生了影响,此时不同粒径下PS-NPskg浓度下S组CAT、POD活性小于B组,这与高对叶片细胞膜伤害率无显著差异。浓度胁迫下SOD歧化产生的HO更多有关。此22-13.3不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片抗氧化能力的外1000mg·kg下S组与B组POD的活性差值小影响于CAT的活性差值,因为POD是ROS清除同工可溶性蛋白是细胞渗透调节物质,本研究中酶,会通过多种不同的调节机制应对环境压力,其生由于过氧化物酶起到的保护作用过强,导致处理[32]物体耐受阈值低于CAT。组可溶性蛋白含量虽几乎均略高于CK,但无显著[21]Li等研究了100、300、500和700nm的PS-性差异。NPs微粒对黄瓜幼苗的抗氧化酶系统影响,结果表植物体内MDA含量的变化可以反映逆境条件明SOD和CAT的相关基因表达量与颗粒大小呈显下植物细胞膜脱脂化程度和超氧自由基对组织损伤著负相关,这与本实验结果相反,这由于本实验中聚[23]的严重程度。本研究中处理组MDA含量显著高苯乙烯微粒粒径较之更大,材料表面形貌、胁迫浓度于CK,有研究表明水华微囊藻与蛋白核小球藻细均不相同等因素导致。-1胞内MDA含量在500mg·L纳米聚氯乙烯、纳米3.5不同浓度聚苯乙烯对菘蓝根际土壤微生物群[24]聚丙烯胁迫下显著升高。此外较小粒径的PS-落结构的影响NPs会穿透根系进入植物[25],并在蒸腾作用下通过[26]Zhang等在对新疆棉田微生物群落多样性和导管吸收,随营养物质一起进入可利用部位(根、组成的研究中发现微塑料存在的土壤中放线菌门和[26]叶)。同时本实验中小粒径PS-NPs表面比大粒径变形菌门丰度最高,这与本实验得到的结果一致。更为光滑,因此可以更容易地进入植物中引起较严添加PS-NPs的土壤与CK优势菌门相同,但丰富度-1重的脂质过氧化。当PS-NPs浓度为1000mg·kg有所变化。与CK相比,添加PS-NPs后土壤中变形时,S组、B组的MDA含量无显著差异,表明此时微菌门、酸杆菌门丰度升高。变形菌门通常生活在较塑料粒径不再是影响MDA含量的主要因素。相比松弛的土壤中,PS-NPs本身具有一定的柔韧性,有之下,菘蓝叶片MDA含量对PS-NPs的敏感性高于利于其与土壤结合,因此影响了土壤容重。此外碳可溶性蛋白。作为PS-NPs的主要成分,其添加也会影响土壤中3.4不同浓度聚苯乙烯对菘蓝叶片抗氧化酶的影响[33]碳的形态与含量,使变形菌门丰度变高。有研究外在胁迫使植物产生更多的活性氧自由基表明添加聚乙烯微塑料会影响土壤酸碱性,即微塑(ROS),SOD、CAT和POD都是植物体内清除活性[34]料的长期存在会使土壤酸化,而酸杆菌门的丰度氧自由基的保护酶,SOD作为清除ROS的第一道与pH呈负相关,故本研究中PS-NPs添加组土壤酸防线可催化超氧化物自由基将其歧化为H2O2和杆菌门丰度高于CK。O2,随后CAT和POD将H2O2歧化为H2O和与CK相比PS-NPs添加使土壤的绿弯菌门丰[27-28]O,这也可以解释本实验中SOD活性均相应地度降低,研究表明,微塑料会影响土壤含水率和铵态2高于相同处理下的CAT和POD活性。氮含量,而绿弯菌门丰度受此二者影响,故微塑料的-1-1[35]胁迫浓度为10mg·kg和100mg·kg时,S组添加不利于绿弯菌门生长。

9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253-1与CK相比100mg·kgPS-NPs降低了拟杆菌[2]BoyleK,ÖrmeciB.Microplasticsandnanoplasticsinthe门的丰度,1000mg·kg-1PS-NPs则增加了其相对freshwaterandterrestrialenvironment:Areview[J].Wa-ter,2020,12(9):26-33丰度,芽单胞菌门有相同的变化特征。因为较高浓[3]骆永明,施华宏,涂晨,等.环境中微塑料研究进展与度的微塑料提高了土壤中荧光素二乙酸水解酶展望[J].科学通报,2021,66(13):1547-1562[36](FDAse)和酚氧化酶的活性,植物的愈伤反应会使LuoYM,ShiHH,TuC,etal.Researchprogressesand呼吸作用增强并释放酚类物质,酚类物质可被酚氧prospectsofmicroplasticsintheenvironment[J].Chinese化酶氧化为具有提高微生物的自我保护能力的醌类ScienceBulletin,2021,66(13):1547-1562(inChinese)[12,37]物质。[4]RilligMC,IngraffiaR,deSouzaMachadoAA.Micro-有研究表明微塑料可以通过直接吸附影响土壤plasticincorporationintosoilinagroecosystems[J].Fron-[36]酶活性,从而改变土壤的物理性质和微环境。在tiersinPlantScience,2017,8:1805本研究中S组材料粒径更小更容易团聚,团聚体的[5]ZhangJJ,ChenYH,WangXX,etal.Areviewofmi-结合力更大;B组材料排列整齐紧密且表面凹凸不croplasticsinthesoilenvironment[J].ChineseJournalofEco-Agriculture,2021,29(6):937-952平。此外二者在土壤中不同的降解性能会进一步影[6]YangL,ZhangYL,KangSC,etal.Microplasticsin响微生物群落结构,但具体的降解性能、降解产物还soil:Areviewonmethods,occurrence,sources,andpo--1有待进一步探究。结果显示100mg·kg浓度下Stentialrisk[J].TheScienceoftheTotalEnvironment,组群落多样性大于B组,由图1可知S组材料的结2021,780:146-154构比表面积更大,为微生物提供了更多的栖息位点;[7]杨杰,李连祯,周倩,等.土壤环境中微塑料污染:来-1但当胁迫浓度为1000mg·kg时B组群落多样性源、过程及风险[J].土壤学报,2021,58(2):281-298大于S组,因为高浓度刺激了某些微塑料的微生YangJ,LiLZ,ZhouQ,etal.Microplasticscontamina-物降解过程,目前大量研究表明在陆地环境中放tionofsoilenvironment:Sources,processesandrisks[J].线菌门的某些种可以通过合成水解酶来生物降解ActaPedologicaSinica,2021,58(2):281-298(inChinese)[8]YuYJ,ChenHB,DangY,etal.Polystyrenemicroplas-微塑料。tics(PS-MPs)toxicityinducedoxidativestressandintes-综上,在2种粒径PS-NPs对菘蓝的胁迫研究tinalinjuryinnematodeCaenorhabditiselegans[J].Sci--1中,胁迫浓度>10mg·kg时B组会抑制幼苗株高,□enceoftheTotalEnvironment,2020,726:138679不同浓度下S组、B组对鲜质量均有促进作用;随着[9]NgEL,LwangaEH,EldridgeSM,etal.Anoverview胁迫浓度的增加不同粒径的PS-NPs对叶片细胞膜ofmicroplasticandnanoplasticpollutioninagroecosys-的伤害程度趋于一致;不同处理下SOD活性均高于tems[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2018,627:CAT、POD活性,3种酶的活性都与胁迫浓度呈正相1377-1388-1[10]YangWW,CengP,AdamsC,etal.Effectsofmicroplas-关,1000mg·kg下粒径对其影响更为显著。添加PS-NPs的土壤与CK优势菌门相同但丰度不同,处ticsonplantgrowthandarbuscularmycorrhizalfungalcommunitiesinasoilspikedwithZnOnanoparticles[J].理组变形菌门、酸杆菌门丰度升高,而绿弯菌门丰度SoilBiologyandBiochemistry,2021,155:108179降低,微生物群落丰度与材料表型有关。但聚苯乙[11]ZiajahromiS,KumarA,NealeP,etal.Effectsofpolyeth-烯微塑料在环境中由于降解形成的单体,以及塑ylenemicroplasticsontheacutetoxicityofasyntheticpy-料添加剂给植物与土壤带来的影响还有待进一步rethroidtomidgelarvae(Chironomustepperi)insynthetic研究。andriverwater[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2019,671:971-975通信作者简介:赵晓祥(1960—),男,博士,研究员,主要研究[12]deSouzaMachadoAA,LauCW,KloasW,etal.Micro-方向为环境生物学。plasticscanchangesoilpropertiesandaffectplantper-formance[J].EnvironmentalScience&Technology,2019,参考文献(References):53(10):6044-6052[1]ZhouQ,ZhangHB,FuCC,etal.Thedistributionand[13]MbachuO,JenkinsG,KaparajuP,etal.Theriseofartifi-morphologyofmicroplasticsincoastalsoilsadjacenttocialsoilcarboninputs:ReviewingmicroplasticpollutiontheBohaiSeaandtheYellowSea[J].Geoderma,2018,effectsinthesoilenvironment[J].TheScienceoftheTo-322:201-208talEnvironment,2021,780:146569

10254生态毒理学报第17卷[14]LozanoYM,LehnertT,LinckLT,etal.Microplastic究[D].泉州:华侨大学,2019:26shape,polymertype,andconcentrationaffectsoilproper-WuYM.Studytheresponseoffreshwatermicroalgaetotiesandplantbiomass[J].FrontiersinPlantScience,micro(nano)plasticsinwaterstress[D].Quanzhou:Hua-2021,12:616645qiaoUniversity,2019:26(inChinese)[15]鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京:中国农业出版[25]李连祯,周倩,尹娜,等.食用蔬菜能吸收和积累微塑社,2000:23-106料[J].科学通报,2019,64(9):928-934[16]高俊凤.植物生理学实验指导[M].北京:高等教育出LiLZ,ZhouQ,YinN,etal.Uptakeandaccumulationof版社,2006:21-22microplasticsinanedibleplant[J].ChineseScienceBul-[17]梁晓华,施娅云,张燕.干旱胁迫对三种蕨类植物生理letin,2019,64(9):928-934(inChinese)生化的影响[J].楚雄师范学院学报,2020,35(6):55-61[26]ZhangMJ,ZhaoY,QinX,etal.MicroplasticsfromLiangXH,ShiYY,ZhangY.Effectsofdroughtstressmulchingfilmisadistincthabitatforbacteriainfarmlandonphysiologicalandbiochemicalchangesofseveralpter-soil[J].TheScienceoftheTotalEnvironment,2019,688:idophytes[J].JournalofChuxiongNormalUniversity,470-4782020,35(6):55-61(inChinese)[27]胡均如,张敏.热处理提高采后果蔬低温贮藏期间活[18]张蜀秋.植物生理学实验技术教程[M].北京:科学出性氧清除能力的机制[J].食品与发酵工业,2021,47版社,2011:211-217(12):269-276[19]连加攀.聚苯乙烯纳米塑料(PSNPs)对小麦单一及镉联HuJR,ZhangM.Mechanismofheattreatmenttoim-合毒性研究[D].天津:南开大学,2020:29-34provetheactiveoxygenscavengingabilityofpostharvestLianJP.Singleandcombinedtoxicityofpolystyrenenan-vegetablesduringlowtemperaturestorage[J].Foodandoplastics(PSNPs)andcadmiumtowheat(Triticumaesti-FermentationIndustries,2021,47(12):269-276(inChi-vumL.)[D].Tianjin:NankaiUniversity,2020:29-34(innese)□Chinese)[28]ZiajahromiS,KumarA,NealeP,etal.Effectsofpolyeth-[20]徐荣乐,海热提.塑料地膜对小麦种子萌发及幼苗抗ylenemicroplasticsontheacutetoxicityofasyntheticpy-氧化酶系统的影响[J].生态环境学报,2010,19(11):rethroidtomidgelarvae(Chironomustepperi)insynthetic2702-2707andriverwater[J].ScienceoftheTotalEnvironment,XuRL,HaiRT.Effectsofplasticfilmonseedgermina-2019,671:971-975tionandtheactivitiesofantioxidantenzymeofwheat[29]LiY,ZhangSS,JiangWS,etal.Cadmiumaccumula-(TriticumaestivumL.)seedlings[J].EcologyandEnvi-tion,activitiesofantioxidantenzymes,andmalondialde-□ronmentalSciences,2010,19(11):2702-2707(inChinese)hyde(MDA)contentinPistiastratiotesL.[J].Environ-□[21]LiZX,LiR,LiQ,etal.Physiologicalresponseofcu-mentalScienceandPollutionResearchInternational,cumber(CucumissativusL.)leavestopolystyrenenano-2013,20(2):1117-1123□plasticspollution[J].Chemosphere,2020,255:127041[30]JiangXF,ChenH,LiaoYC,etal.Ecotoxicityandgeno-[22]项洪涛,郑殿峰,何宁,等.植物对低温胁迫的生理响toxicityofpolystyrenemicroplasticsonhigherplantVicia应及外源脱落酸缓解胁迫效应的研究进展[J].草业学faba[J].EnvironmentalPollution,2019,250:831-838报,2021,30(1):208-219[31]王婷.上海市河道水体微塑料分布特征及塑料微珠对XiangHT,ZhengDF,HeN,etal.Researchprogresson铜绿微囊藻的毒理研究[D].上海:上海海洋大学,thephysiologicalresponseofplantstolowtemperature2021:45andtheameliorationeffectivenessofexogenousABA[J].WangT.ThedistributioncharacteristicsofmicroplasticsActaPrataculturaeSinica,2021,30(1):208-219(inChi-inriverwaterbodiesofShanghaiandthetoxicologicalnese)studyofplasticmicrobeadsonMicrocystisaeruginosa[23]张丽萍,刘志强,金竹萍,等.H2S对镉胁迫下白菜幼苗[D].Shanghai:ShanghaiOceanUniversity,2021:45(in□根系渗透胁迫的调节作用[J].农业环境科学学报,Chinese)2016,35(2):247-252[32]MittlerR.Oxidativestress,antioxidantsandstresstoler-ZhangLP,LiuZQ,JinZP,etal.RegulationofHSonance[J].TrendsinPlantScience,2002,7(9):405-4102Cd-inducedosmoticstressinrootsofChinesecabbage[33]李汶璐,王志超,杨文焕,等.微塑料对沉积物细菌群seedling[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2016,落组成和多样性的影响[J].环境科学,2022,43(5):35(2):247-252(inChinese)2606-2613[24]吴艳梅.淡水微藻对水体微(纳米)塑料胁迫的响应研LiWL,WangZC,YangWH,etal.Effectsofmicro-

11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255plasticsonbacterialcommunitycompositionanddiversityZhangQ.High-temperaturecompostingdegradationofinsediments[J].EnvironmentalScience,2022,43(5):sludgemicroplasticsandmicrobialmetabolismcoupling2606-2613(inChinese)mechanism[D].Lanzhou:LanzhouJiatongUniversity,[34]侯军华.聚乙烯微塑料对土壤团聚体性质及微生物多2021:42(inChinese)样性影响研究[D].兰州:兰州交通大学,2020:42[36]CarsonHS,NerheimMS,CarrollKA,etal.Theplas-HouJH.Effectsofpolyethylenemicroplasticsonsoilag-tic-associatedmicroorganismsofthenorthPacificgyregregatepropertiesandmicrobialdiversity[D].Lanzhou:[J].MarinePollutionBulletin,2013,75(1-2):126-132LanzhouJiatongUniversity,2020:42(inChinese)[37]LiuHF,YangXM,LiuGB,etal.Responseofsoildis-[35]张强.高温堆肥降解污泥微塑料及微生物代谢耦合机solvedorganicmattertomicroplasticadditioninChinese制[D].兰州:兰州交通大学,2021:42loesssoil[J].Chemosphere,2017,185:907-917◆