微塑料/納米塑料對(duì)維管植物的影響

楊滿香

(重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,重慶 401331)

塑料以其便攜、耐用、成本低廉等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè),逐漸成為人類生活中不可或缺的一部分[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年,全球塑料產(chǎn)量達(dá)到了3.68億t,且呈現(xiàn)出每年持續(xù)遞增的趨勢(shì)[4],其中僅有9%的塑料被回收,其余的則被焚燒、掩埋或隨意丟棄在自然環(huán)境中[5]。然而大多數(shù)塑料很難在自然環(huán)境下降解,它們可以在生態(tài)系統(tǒng)中存在幾十年甚至上百年的時(shí)間,在這個(gè)過程中,塑料會(huì)經(jīng)歷物理、化學(xué)和生物作用,例如機(jī)械磨損、紫外線輻射、微生物降解等,從而分解成不同大小的塑料顆粒[6-7]。

Thompson等[8]于2004年第一次提出了微塑料(micplastics,MPs)的概念,Hartmann等[9]指出,微塑料應(yīng)定義為粒徑1～1 000 μm的塑料顆粒,納米塑料范圍則為1～1 000 nm。微塑料的外形多為圓柱形、圓形和圓盤狀,顏色通常為透明、白色和灰色,而且微塑料種類繁多,根據(jù)材質(zhì)劃分,主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺類(PA)等[10-11]。

維管植物是維持生態(tài)平衡的重要組成部分,在碳循環(huán)和氧循環(huán)中發(fā)揮著不可替代的作用,具有調(diào)節(jié)氣候、防止水土流失、為生物體提供棲息地等生態(tài)功能[12]。據(jù)報(bào)道,MPs/NPs可存在于各種環(huán)境中,如海洋、湖泊、農(nóng)田等[13-15],即使在遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的北極和南極的海洋表面和深海沉積物中也有微塑料的痕跡[16-17]。研究表明,MPs/NPs可被動(dòng)、植物攝入并影響其生長(zhǎng)發(fā)育[18-20]。此外,MPs/NPs由于比表面積大和高疏水性,可以吸附不同類型的環(huán)境污染物[21],如多氯聯(lián)苯(PCBs)[22-23]、多環(huán)芳烴(PAHs)[24-25]、抗生素[26-27]和重金屬等[28]。因此,MPs/NPs被認(rèn)為是一類對(duì)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅的新興污染物[29]?；谖⑺芰蟻?lái)源廣泛、存在周期長(zhǎng)、易遷移、易轉(zhuǎn)運(yùn)有毒污染物、易被生物體吞食吸收等特點(diǎn),因其所造成的污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度重視,深入研究環(huán)境微塑料對(duì)維管植物的影響及其作用機(jī)制對(duì)于評(píng)估微塑料污染給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

1 MPs/NPs的來(lái)源及進(jìn)入途徑

微塑料來(lái)源廣泛,主要分為初級(jí)微塑料和次級(jí)微塑料。初級(jí)微塑料可存在于洗面奶、指甲油、防曬霜等化妝品中,如每使用5 mL的化妝品就會(huì)導(dǎo)致4 594～94 500個(gè)球類微塑料進(jìn)入污水處理系統(tǒng)[30]。次級(jí)微塑料主要是由一些大型塑料經(jīng)過風(fēng)化、紫外線照射等外力作用裂解而成的細(xì)小碎片,如工業(yè)原料、各類食品和飲品的包裝、購(gòu)物袋等[10]。

此外,污水處理廠的生活污水也含有大量微塑料,如殷偉慶等[31]對(duì)鎮(zhèn)江市3家典型污水廠水樣進(jìn)行微塑料調(diào)查,結(jié)果在樣品中檢出14種微塑料,且微塑料豐度分別為2 226、2 263和1 950個(gè)/L。此外,污水中的一部分塑料會(huì)進(jìn)入污泥中,通常被用作肥料或修復(fù)材料,在這個(gè)過程中,大量的微塑料將被帶入到陸地環(huán)境中[10]。Corradini等[32]進(jìn)行了一項(xiàng)針對(duì)智利31個(gè)接受不同年限污泥施用的農(nóng)用土壤的調(diào)查研究。結(jié)果顯示,隨著污泥施用量的增加,土壤中微塑料的含量也逐漸增加。在施用了5次污泥后(總量為200 t/hm2),土壤中微塑料的平均豐度達(dá)到了3 500 個(gè)/kg。

2 MPs/NPs單一作用對(duì)維管植物生長(zhǎng)的影響

MPs/NPs會(huì)影響維管植物的生長(zhǎng),評(píng)估這些影響最常用的方法是測(cè)量其植物的各部分的生物指標(biāo),以確定MPs/NPs的植物毒性。例如,在種子萌發(fā)期間,塑料顆粒會(huì)積聚在種子表面,以致減少了種子對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而影響種子發(fā)芽[33-34]。當(dāng)蕨類植物(Ceratopterispteridoides)暴露于聚苯乙烯納米塑料(PS-NPs)后,會(huì)破壞孢子從吸脹到萌發(fā)到配子體的整個(gè)發(fā)育階段,從而影響其繁殖過程[34]。吳佳妮等[35]研究了2種粒徑PS-NPs(20、100 nm)對(duì)大豆(Glycinemax)種子發(fā)芽的影響,結(jié)果表明,2種粒徑PS-NPs均能抑制種子的發(fā)芽能力(發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、平均發(fā)芽速度和發(fā)芽率),其中發(fā)芽抑制率在一定程度上與暴露時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

MPs/NPs還可影響維管植物的幼苗、芽、莖、葉、根和果實(shí)的發(fā)育。van Weert等[36]發(fā)現(xiàn),PS-MPs可顯著影響穗狀豆蔻的干重和側(cè)枝數(shù)。萵苣(LactucasativaLinn.)暴露在微塑料中可顯著降低葉和根的鮮重和干重、株高、葉數(shù)和根長(zhǎng)[37]。擬南芥暴露于PS-NPs時(shí),其幼苗生長(zhǎng)受到明顯抑制,鮮重較低,株高較短[38]。此外,MPs/NPs也可以推遲小麥(TriticumaestivumL.)的分蘗階段,并減少水果數(shù)量,從而導(dǎo)致MPs/NPs對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響[39]。20和100 nm PS-NPs對(duì)根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和苗長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為“低濃度促進(jìn),中高濃度抑制”,20 nm PS-NPs對(duì)根尖數(shù)量無(wú)顯著影響,而100 nm PS-NPs則表現(xiàn)出促進(jìn)作用,20和100 nm PS-NPs抑制了根直徑和干重[35]。

MPs/NPs也可以對(duì)不同的植物種類產(chǎn)生不同的影響。Lian等[40]研究表明,PS-NPs對(duì)小麥種子發(fā)芽率無(wú)明顯影響,但卻增加了根的伸長(zhǎng)。在Yang等[41]的研究中,高密度聚乙烯HDPE-MPs促進(jìn)了玉米(ZaymaysL.)的發(fā)芽并增加了根系生物量,促進(jìn)了植物生長(zhǎng);但在擬南芥和小麥中未發(fā)現(xiàn)MPs/NPs對(duì)植物有生長(zhǎng)抑制作用[42-43]。因此,MPs/NPs對(duì)植物的影響是復(fù)雜多樣的。在劉鎣鎣等[44]的研究結(jié)果中,各濃度微塑料處理對(duì)綠豆的發(fā)芽率均無(wú)顯著抑制作用,在設(shè)定的暴露濃度下,0.550～0.800、0.106～0.150 mm 的微塑料對(duì)芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、千重均無(wú)抑制作用,在一定濃度下甚至有刺激作用。PE-MPs對(duì)大豆根部鮮重有促進(jìn)作用,而0.1%聚乳酸微塑料(PLA-MPs)則會(huì)抑制根部長(zhǎng)度[45]。

3 MPs/NPs單一作用對(duì)維管植物的生理影響

氧化應(yīng)激會(huì)破壞植物應(yīng)對(duì)過量活性氧(ROS)的能力,從而誘導(dǎo)植物的抗氧化防御系統(tǒng)被激活,并對(duì)分子造成氧化損傷[46]。在面對(duì)脅迫時(shí),維管植物會(huì)通過抑制酶的產(chǎn)生來(lái)減少活性氧物種(ROS)的積累,從而干擾葉綠素的合成過程。這一干擾進(jìn)而會(huì)影響葉綠素和類胡蘿卜素的含量水平[47]。生菜的葉綠素a和葉綠素a+b的變化隨PE-MPs的濃度增加而減少,而葉綠素b沒有觀察到顯著變化[37]。

在相關(guān)研究中,評(píng)價(jià)對(duì)維管植物的氧化損傷,通常是評(píng)估抗氧化酶活性和檢測(cè)丙二醛(MDA)含量[48]。例如,安菁等[49]發(fā)現(xiàn),當(dāng)大豆生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),鑒于微塑料脅迫的存在,MDA含量總體呈上升趨勢(shì),但SOD、POD和CAT活性提高致使MDA含量降低。Li等[50]發(fā)現(xiàn),PVC顆粒(100 nm～18 μm)對(duì)MDA含量沒有顯著影響,但卻顯著提高SOD活性,并促進(jìn)了類胡蘿卜素的合成;然而PVC(18～150 μm)則抑制了類胡蘿卜素的合成。研究還發(fā)現(xiàn),PS-NPs(100 nm)能顯著提高黃瓜葉片的葉綠素、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)均顯著降低;當(dāng)黃瓜葉片暴露于PS-NPs時(shí),MDA、脯氨酸、酶活性和過氧化氫含量顯著增加;另外,微塑料的粒徑增大會(huì)導(dǎo)致SOD和CAT的相對(duì)表達(dá)水平和酶活性降低[51]。孫曉東[52]的研究也發(fā)現(xiàn),PS-NPs誘導(dǎo)了擬南芥植株抗氧化活性相關(guān)基因的下調(diào),同時(shí)在根部積累了更多的H2O2,這進(jìn)一步導(dǎo)致了根部ROS水平的積累。廖苑辰等[53]發(fā)現(xiàn),隨PS-MPs含量的增加,小麥葉片光合色素和可溶性蛋白含量先升后降,SOD活性下降,CAT活性先降后升。

4 MPs/NPs與其他污染物的復(fù)合污染對(duì)維管植物的影響

MPs/NPs還可以與其他污染物共存,造成對(duì)植物的復(fù)合污染。污染物共存時(shí)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)立作用、相加作用、協(xié)同作用和拮抗作用,其中研究較多的是后3種作用[54-55]。

由于MPs/NPs具有較強(qiáng)的吸附能力,可吸附不同的污染物。例如楊曉靜[56]通過PS、PE、PP、PVC和聚酰胺類(PA)5種微塑料以及磺胺嘧啶、環(huán)丙沙星、甲氧芐啶、四環(huán)素和阿莫西林5種抗生素進(jìn)行吸附過程的機(jī)制研究,發(fā)現(xiàn)不同的微塑料具有不同的吸附能力,但均能吸附抗生素。單寧等[57]證明,水體中微塑料(PS)與環(huán)丙沙星(ciprofloxacin,CIP)的共存能夠抑制黑麥草植株的根長(zhǎng)、鮮重以及葉綠素含量等生長(zhǎng)參數(shù),同時(shí)也能在植物體內(nèi)積累CIP,加重CIP對(duì)植物生長(zhǎng)的毒性作用。PS-MPs和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)復(fù)合污染,抑制生菜的光合作用和糖代謝,從而降低生菜的品質(zhì)[58]。此外微塑料顆粒自身可以扮演一個(gè)載體的角色,將多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)移到小麥植株的根部[59]。

除此之外,由于重金屬的高移動(dòng)性、持久性和高生物毒性,MPs/NPs對(duì)重金屬的富集、環(huán)境遷移等造成的環(huán)境災(zāi)難備受研究者關(guān)注[60]。聚苯乙烯和聚四氟乙烯微塑料可以減少水稻對(duì)砷的吸收和累積,但它們也能通過與重金屬砷協(xié)同抑制根系活力和二磷酸核酮糖羧化酶活性來(lái)減少水稻的生物量[61]。寧瑞艷等[62]對(duì)PS-MPs(0、100、500 mg/L)與鎘(200 μmol/L)復(fù)合試驗(yàn)的研究表明,PS-MPs促進(jìn)了東南景天和葉芽鼠耳芥對(duì)鎘的吸收,且PS-MPs濃度越高,促進(jìn)作用越明顯。根據(jù)楊子[63]的研究,與單一污染相比,微塑料-鎘的復(fù)合污染對(duì)種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)具有拮抗作用,在一定程度上降低了單一污染物的毒害作用,聚乙烯微塑料可降低植物對(duì)重金屬鎘的吸附能力。李貞霞等[64]發(fā)現(xiàn),不同粒徑的PVC顆粒(<18 μm,18～150 μm)能夠減輕鎘對(duì)黃瓜根系活力的負(fù)面影響,MPs與Cd聯(lián)合污染對(duì)黃瓜葉片中的SOD和H2O2具有中和作用。劉玲等[65]發(fā)現(xiàn),PS-MPs誘導(dǎo)了水稻幼苗根系的氧化損傷并抑制其生長(zhǎng);低濃度PS-MPs可以緩解Pb對(duì)水稻幼苗根系的氧化脅迫,而高濃度PS-MPs則可能與Pb產(chǎn)生了協(xié)同作用,加劇了Pb對(duì)水稻根系的氧化損傷。王澤正等[66]研究表明,與單獨(dú)的微塑料污染或鎘污染相比,微塑料和鎘的復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子的生長(zhǎng)特性、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)產(chǎn)生了普遍的拮抗作用。換言之,微塑料和鎘的共同作用會(huì)抵消它們各自對(duì)水稻種子生長(zhǎng)的影響。在一定程度上降低了單一污染物的毒害作用[67]。

微塑料除了本身能與抗生素、重金屬、有機(jī)污染物等產(chǎn)生復(fù)合污染外,還可以在各種環(huán)境中充當(dāng)橋梁[68]。微塑料會(huì)吸附并攜帶重金屬和抗生素,使其與土壤一同被應(yīng)用,在此環(huán)境下,維管植物在土壤中吸收養(yǎng)分,進(jìn)一步可能改變維管植物的生長(zhǎng)[69]。這種情況將對(duì)后續(xù)農(nóng)作物的食品安全產(chǎn)生負(fù)面影響,進(jìn)而對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

5 結(jié)語(yǔ)

維管植物作為人類和動(dòng)物賴以生存不可或缺的重要組分之一,也是人類和動(dòng)物的主要食源之一,它對(duì)保持生態(tài)系統(tǒng)平衡起到了至關(guān)重要的作用。維管植物對(duì)微塑料的影響至關(guān)重要,MPs/NPs會(huì)積聚在維管植物中,環(huán)境中廣泛存在的MPs/NPs會(huì)被維管植物吸收、累積、轉(zhuǎn)運(yùn),進(jìn)而有可能通過多種暴露途徑在生物體和人體中累積,從而對(duì)生物體和人類健康產(chǎn)生潛在的不利影響。MPs/NPs污染已成為研究難題,已有研究表明,微塑料和納米塑料進(jìn)入植物的根莖內(nèi)部后,會(huì)導(dǎo)致氧化壓力的產(chǎn)生,而這將改變植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收和運(yùn)輸方式。因此,這種情況會(huì)對(duì)植物的發(fā)芽、根莖的生長(zhǎng)和發(fā)育,以及干重、鮮重等部分生理指標(biāo)產(chǎn)生影響[70]。MPs/NPs不僅影響維管植物的生長(zhǎng),而且會(huì)通過食物遷移,進(jìn)一步影響擴(kuò)大范圍。人類既是塑料的生產(chǎn)者,也是塑料的消費(fèi)者,維管植物會(huì)導(dǎo)致人類直接或間接接觸塑料的攝入。為了緩解微塑料污染,保護(hù)生態(tài)健康,除了一些相應(yīng)的防控措施,應(yīng)從源頭上降低廢棄塑料進(jìn)入自然生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。