不同溫濕度條件下微塑料對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)和生理的影響

李瑞杰,涂 晨,楊 杰,馮裕棟,范橋輝,駱永明①

1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049〕

全球?qū)ξ⑺芰系年P(guān)注已由最初的海洋、海岸環(huán)境逐漸擴(kuò)展到了淡水及陸地生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。植物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分,其對(duì)微塑料的吸收與富集需引起足夠重視。已有研究[3]證實(shí),高等植物根系可以直接吸收微塑料并向地上部傳輸,進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。前期研究[4]發(fā)現(xiàn),在水培和砂培條件下,亞微米(0.2 μm)甚至是微米級(jí)(2 μm)的聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球,可通過(guò)小麥和生菜新生側(cè)根兩側(cè)存在的裂隙進(jìn)入根部木質(zhì)部導(dǎo)管,并進(jìn)一步傳輸?shù)角o葉組織中。由于微塑料粒徑較小,且元素組成與生物質(zhì)類似,其在植物體內(nèi)的定量化分析檢測(cè)仍是技術(shù)難題。利用微量金屬元素標(biāo)記的方法可對(duì)微塑料的環(huán)境歸趨進(jìn)行追蹤和量化[5],為實(shí)現(xiàn)植物體內(nèi)塑料微顆粒的準(zhǔn)確定量檢測(cè)提供新思路。雖然目前已有研究揭示了微塑料在植物體內(nèi)吸收和傳輸途徑及潛在機(jī)制,但對(duì)植物吸收和傳輸微塑料的關(guān)鍵控制因素尚不清楚。據(jù)報(bào)道,LI等[4]采用熒光標(biāo)記方式探究了蒸騰作用對(duì)植物吸收微塑料的影響,發(fā)現(xiàn)在不同蒸騰拉力作用下,小麥和生菜對(duì)微塑料的吸收有明顯差異。并且,植物根內(nèi)吸收的微塑料可通過(guò)植物蒸騰流和根壓傳輸?shù)降厣喜縖3]。因此,探究植物蒸騰環(huán)境對(duì)植物吸收微塑料的影響至關(guān)重要。

進(jìn)入植物體內(nèi)的微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)和生理的影響也引起研究者的關(guān)注,但迄今僅有少量研究報(bào)道了微塑料對(duì)植物的影響。研究表明,微塑料對(duì)植物的部分生理生化過(guò)程具有抑制效應(yīng),包括延遲種子萌發(fā)[6-7],抑制植物生長(zhǎng)[8-9],改變根系性狀[10],減少生物量[11],干擾光合作用[12],造成氧化損傷并導(dǎo)致遺傳毒性[13-14]。但也有研究發(fā)現(xiàn),微塑料會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)和部分生理指標(biāo)具有促進(jìn)作用。例如,LOZANO等[15]發(fā)現(xiàn),纖維、薄膜、泡沫和碎片類微塑料暴露28 d后,胡蘿卜生物量均有所增加;LI等[16]發(fā)現(xiàn)PS微塑料(300 nm,50 mg·L-1)顯著增加了小麥根系活性;LIAN等[17]發(fā)現(xiàn)添加w為1%的微塑料顯著提高了玉米葉綠素a和類胡蘿卜素含量?？梢?jiàn),微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)和生理的影響與微塑料類型、材質(zhì)、暴露劑量和植物種類等多種因素有關(guān)。但有關(guān)環(huán)境因素在微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)和生理的影響方面研究較少。因此,探究環(huán)境因素在微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)與生理狀態(tài)改變上的影響至關(guān)重要。

以全球廣泛種植的糧食作物——小麥為供試植物,評(píng)估不同溫濕度環(huán)境對(duì)小麥吸收及傳輸PS微球的量化特征影響,進(jìn)一步比較不同溫濕度環(huán)境下小麥對(duì)塑料微球吸收的不同造成生長(zhǎng)和生理指標(biāo)變化的差異。研究結(jié)果可為評(píng)估生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)高等植物吸收傳輸微塑料及相關(guān)生物學(xué)影響提供方法基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 塑料微球與植物

稀土銪(Eu)標(biāo)記PS微球(記為Eu-Ps,原液濃度為10 mg·mL-1)購(gòu)自上海輝質(zhì)生物科技有限公司,其基本性質(zhì)表征參照文獻(xiàn)[5]。單分散PS微球(原液濃度為10 mg·mL-1)購(gòu)自天津大鵝科技有限公司。兩種微球在水相中均具有良好的分散性和穩(wěn)定性,顆粒均呈球形,表面帶負(fù)電荷,平均粒徑分別為(0.20±0.01)和(0.21±0.01) μm(附錄1)。

供試小麥(Triticumaestivum)種子品種為濟(jì)麥22,由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。挑選大小一致且顆粒飽滿的種子,用w為10% NaClO溶液浸泡5～8 min進(jìn)行表面滅菌,隨后用去離子水多次洗滌以去除殘留的NaClO溶液。將種子置于經(jīng)高壓滅菌的培養(yǎng)盒內(nèi)濕潤(rùn)的濾紙上,在25 ℃條件下避光催芽3 d。將小麥幼苗取出洗凈并轉(zhuǎn)移至1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中,在人工氣候室中于(25±2) ℃、t(光)∶t(暗)為12 h∶12 h和相對(duì)濕度(RH)55%條件下繼續(xù)培養(yǎng)生長(zhǎng)3～5 d。

1.2 不同溫濕度條件下小麥幼苗吸收稀土標(biāo)記微球的量化分析

將0.2 μm Eu標(biāo)記PS微球原液超聲分散3 min后,與1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液混合,配制成5個(gè)濃度(0、0.5、5、50和200 mg·L-1)的微球暴露試驗(yàn)液,添加MES緩沖溶液調(diào)節(jié)暴露液pH約為6.0。向每個(gè)盆缽內(nèi)加入80 mL暴露液,并移入2株小麥幼苗,每個(gè)處理設(shè)4次重復(fù)。采用兩個(gè)人工氣候室分別模擬高蒸騰環(huán)境(高溫低濕:30 ℃、55%RH)和低蒸騰環(huán)境(低溫高濕:10 ℃、85%RH),利用熱干和冷濕條件的明顯差異模擬不同的植物蒸騰作用環(huán)境。移栽后的幼苗在兩種蒸騰環(huán)境條件下的人工培養(yǎng)箱中繼續(xù)生長(zhǎng)7 d,每2 d更換1次培養(yǎng)液。暴露試驗(yàn)結(jié)束后,將小麥超聲清洗、80 ℃條件下殺青2 h,烘干后用硝酸-硫酸消解,詳細(xì)前處理方法參照文獻(xiàn)[5]。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,7500,美國(guó)安捷倫)測(cè)定小麥不同組織內(nèi)Eu濃度,通過(guò)建立PS微球質(zhì)量與其消解后所測(cè)得的Eu質(zhì)量之間的相關(guān)曲線,計(jì)算小麥根和地上部組織中微球含量(mg·kg-1)[5]。同時(shí)取小麥不同組織經(jīng)冷凍干燥后,采用掃描電鏡(SEM,S-4800,日本日立)觀察小麥體內(nèi)微球的分布特征。

1.3 不同溫濕度條件下微球?qū)π←溣酌绲纳L(zhǎng)與生理影響

將0.2 μm單分散PS微球原液超聲分散3 min后,與1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液混合,配制成5個(gè)濃度(0、0.5、5、50、200 mg·L-1)的微球暴露試驗(yàn)液。每個(gè)盆缽(750 mL)中移入6株小麥幼苗,移栽后的幼苗在兩個(gè)溫濕度環(huán)境人工培養(yǎng)箱中繼續(xù)生長(zhǎng)7 d,每2 d更換1次培養(yǎng)液,每個(gè)處理設(shè)4次重復(fù)。

1.3.1小麥幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

培養(yǎng)7 d后,每盆處理采集3株小麥,經(jīng)自來(lái)水和超純水清洗后用超凈紙吸干表面水分。測(cè)量每株小麥的主根長(zhǎng)度和植株高度,并稱量小麥整株鮮重。

1.3.2光合參數(shù)和葉綠素含量的測(cè)定

培養(yǎng)7 d后,取每組樣品,在上午10:00至下午3:00之間,選取從上到下第3片完全成熟的小麥葉片,采用便攜式光合儀(LI-6400,美國(guó)LI-COR)測(cè)定小麥凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度。選取相同位置葉片,沖洗干凈后擦干、剪碎并混勻,隨后定量稱取上述待測(cè)樣品加入潔凈研缽中,再加入適量的碳酸鈣粉末及95%乙醇,充分研磨提取光合色素,采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(GENESYS 10S,美國(guó)賽默飛)測(cè)定葉綠素含量。

1.3.3抗氧化酶活性的測(cè)定

培養(yǎng)7 d后,每株小麥剪取根部和莖葉各0.1 g,剪碎后置于手動(dòng)勻漿器中,按m(組織質(zhì)量)∶V(提取液體積)為1∶9的比例分別加入超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶和丙二醛提取液,冰浴研磨制作組織勻漿。將勻漿低溫離心(9 300 r·min-1,離心半徑為82 mm,4 ℃,10 min)后取上清液待測(cè)。采用試劑盒(購(gòu)自南京建成生物工程研究所)分別測(cè)定小麥根部和地上部超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量,測(cè)定方法分別參見(jiàn)試劑盒說(shuō)明書(shū)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析,采用Duncan法進(jìn)行各組差異性比較、獨(dú)立樣本的均值檢驗(yàn)(t檢驗(yàn))以及Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。采用Origin 8.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫濕度條件下小麥幼苗吸收稀土標(biāo)記微球的量化分析

如圖1所示,在同一蒸騰環(huán)境下,隨著微球暴露濃度增加,小麥根系的微球吸收含量顯著增加(P<0.05)。

n=3。圖柱上方英文大、小寫(xiě)字母不同分別表示高蒸騰和低蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球處理之間小麥某部分微球積累量存在顯著差異(P<0.05)。*表示在同一微球暴露濃度下,小麥某部分微球積累量在高蒸騰和低蒸騰兩種環(huán)境之間差異顯著(P<0.05)。

在高蒸騰和低蒸騰兩種生長(zhǎng)環(huán)境中,小麥根系內(nèi)微球積累量分別達(dá)到15.20～3 902.48和18.50～1 941.97 mg·kg-1。當(dāng)微球暴露濃度為0.5、5和50 mg·L-1時(shí),高低兩種蒸騰環(huán)境中小麥根內(nèi)PS微球積累量差異不顯著;而在高濃度微球暴露(200 mg·L-1)條件下,高蒸騰環(huán)境中小麥根內(nèi)微球濃度是低蒸騰環(huán)境中的2.01倍。這可能是由于在高蒸騰環(huán)境中,小麥根系水力傳導(dǎo)率增強(qiáng),導(dǎo)致對(duì)高濃度PS微球的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低蒸騰環(huán)境。這與LI等[4]研究結(jié)果一致,利用共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)在高蒸騰拉力作用下,小麥和生菜對(duì)聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的吸收量顯著增加[4]。在高蒸騰和低蒸騰兩種生長(zhǎng)環(huán)境中,小麥地上部PS微球積累量分別達(dá)到1.73～618.14和0.99～387.12 mg·kg-1(圖1)。在同一PS微球暴露濃度條件下,高蒸騰環(huán)境中小麥地上部微球含量均高于低蒸騰環(huán)境,但并未達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明在一定時(shí)間內(nèi),同一微球暴露濃度條件下,植物根內(nèi)微球向地上部的傳輸量有限。例如,不同植物根內(nèi)微球向地上部的傳輸量有限,有研究報(bào)道,水培條件下,微塑料在小麥和生菜體內(nèi)的傳輸因子分別為0.11和0.10(微塑料暴露濃度為5 mg·L-1)[5],在黃瓜體內(nèi)的傳輸因子也達(dá)到0.11(微塑料暴露濃度為50 mg·L-1)[18]。此外,微球暴露濃度也影響微球在小麥體內(nèi)的傳輸過(guò)程,隨著暴露濃度增加,小麥地上部微球含量顯著增加。與同一量級(jí)的土壤暴露濃度相比,水培環(huán)境中小麥根內(nèi)微球積累量(15.20～3 902.48 和18.50～1 941.97 mg·kg-1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤環(huán)境中小麥根內(nèi)微球積累量(3.0～5.2 μg·g-1)[5],表明微球在土壤環(huán)境介質(zhì)中遷移性較差,與植物根系的接觸減少。因此,一般室內(nèi)水培模擬試驗(yàn)中植物對(duì)微球的吸收量可能遠(yuǎn)高于真實(shí)環(huán)境中微球吸收量。

通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)小麥根縱截面和莖部橫切面(圖2a、d、g和j),并對(duì)切面上目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行放大(圖2c、f、i和l),可觀察到根、莖中存在不同形態(tài)的PS微球,進(jìn)一步證明了PS微球在小麥組織中的吸收與傳輸。在低蒸騰環(huán)境中,微球在小麥根內(nèi)木質(zhì)部導(dǎo)管中多以單個(gè)分散態(tài)或者少量聚集態(tài)積累;但在高蒸騰環(huán)境中,微球多以聚集態(tài)形式積累,且多數(shù)被小麥根導(dǎo)管內(nèi)的物質(zhì)所截留(圖2f)。在高低兩種蒸騰環(huán)境中,PS微球在小麥地上部組織中均以分散態(tài)積累分布。結(jié)合掃描電鏡形貌觀測(cè)和稀土標(biāo)記的定量方法證明,微塑料可以被植物根部吸收,并轉(zhuǎn)移到地上部組織中[3-4,18-19],而蒸騰環(huán)境是植物吸收和傳輸微塑料的關(guān)鍵控制因素之一。

根:低蒸騰環(huán)境(a～c),高蒸騰環(huán)境(d～f);莖:低蒸騰環(huán)境(g～i),高蒸騰環(huán)境(j～l)。紅色箭頭指示PS微球。

2.2 不同溫濕度條件下微球?qū)π←溣酌缟L(zhǎng)與生理的影響

2.2.1不同溫濕度條件下微球?qū)π←溣酌缟L(zhǎng)的影響

兩種蒸騰環(huán)境中不同濃度PS微球?qū)π←湼考暗厣喜可L(zhǎng)的影響見(jiàn)圖3。

n=3。同一幅圖中,圖柱上方英文大、小寫(xiě)字母不同分別表示高蒸騰和低蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球處理之間小麥某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。**和***分別表示在同一微球暴露濃度下,小麥某指標(biāo)在高蒸騰和低蒸騰兩種環(huán)境之間在0.01和0.001水平上差異顯著。

如圖3所示,同一濃度微球處理下,在高蒸騰環(huán)境中小麥株高、鮮重均顯著高于低蒸騰環(huán)境(P<0.05)。在低蒸騰環(huán)境中,微塑料暴露濃度對(duì)小麥根長(zhǎng)、鮮重和株高無(wú)顯著影響。在高蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球?qū)π←滜r重、株高均無(wú)顯著影響,但不同濃度微球均顯著降低小麥主根長(zhǎng)度(P<0.05),與對(duì)照相比,0.5、5、50和200 mg·L-1微球濃度處理降低率分別為11.72%、12.01%、13.20%和14.43%。隨著暴露濃度的增加,PS微球極易發(fā)生團(tuán)聚[20],形成尺寸相對(duì)較大的團(tuán)聚體。與低蒸騰環(huán)境相比,在高溫低濕的水培介質(zhì)中微球移動(dòng)速度加快并容易附著在根系表面,可能堵塞水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸通道或細(xì)胞壁氣孔[21-22],從而抑制根系生長(zhǎng)。也有研究表明,微塑料可能會(huì)通過(guò)抑制根尖頂端分生組織活性以及根系細(xì)胞活力限制根系生長(zhǎng)[10,23]。MENG等[24]研究發(fā)現(xiàn),采用高濃度(w≥1.5%)聚己二酸共對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)處理大豆后,大豆地上部和根生物量顯著降低;而低濃度PBAT處理(w分別為0.5%和1.0%)會(huì)增加大豆根部生物量,筆者研究結(jié)果與之類似?？紤]到該研究是基于土培條件,這可能是由于微塑料改變根際微生物群落和增加揮發(fā)性有機(jī)物所導(dǎo)致的[25]。

2.2.2不同溫濕度條件下微球?qū)π←溣酌绻夂献饔玫挠绊?/p>

為了評(píng)估不同濃度PS微球?qū)π←湽夂献饔玫挠绊?對(duì)小麥葉片光合色素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖4。如圖4所示,同一蒸騰環(huán)境下,光合色素(葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素)對(duì)不同濃度微球的響應(yīng)相一致。在低蒸騰環(huán)境中,與對(duì)照相比,光合色素含量均呈下降趨勢(shì),但未達(dá)到顯著差異(P>0.05)。而在高蒸騰環(huán)境中,與對(duì)照相比,當(dāng)PS微球暴露濃度為0.5、5和50 mg·L-1時(shí),葉綠素b含量分別升高8.43%、3.01%和12.95%;當(dāng)PS微球暴露濃度達(dá)到200 mg·L-1時(shí),葉綠素b含量顯著降低31.96%(P<0.05)。聚乳酸(PLA)和PS可以分別顯著降低擬南芥和玉米葉綠素含量[2,26],筆者研究結(jié)果與之相似。這可能是由于光合色素的生物合成過(guò)程需要鐵元素參與,而微塑料可顯著降低植物體內(nèi)鐵元素含量,進(jìn)而影響葉綠素含量和光合作用能力[11,27]。其次,微塑料暴露可能使小麥葉片葉綠體和類囊體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,這可能最終導(dǎo)致葉綠素含量降低,從而減弱光合能力[28]。此外,微塑料暴露還可能影響光合色素生物合成相關(guān)酶的活性[29]。例如,微球可能會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧(ROS)積累,而ROS可以通過(guò)損害光合作用相關(guān)酶活性來(lái)下調(diào)色素中間體的合成或者過(guò)量的羥基自由基促進(jìn)葉綠素降解[30-31]。

n=3。同一幅圖中,圖柱上方英文大、小寫(xiě)字母不同分別表示高蒸騰和低蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球處理之間小麥某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。*、**和***表示在同一微球暴露濃度下,小麥某指標(biāo)在高蒸騰和低蒸騰兩種環(huán)境之間分別在0.05、0.01和0.001水平上差異顯著。

不同濃度PS微球處理中,高蒸騰環(huán)境中小麥葉片蒸騰速率均顯著高于低蒸騰環(huán)境(P<0.05),表明筆者設(shè)計(jì)的兩種生長(zhǎng)環(huán)境能滿足在小麥體內(nèi)呈現(xiàn)兩種高低蒸騰拉力作用的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如圖4所示,與對(duì)照相比,不同濃度微球暴露對(duì)兩種蒸騰環(huán)境中小麥葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的影響趨勢(shì)相一致。在低蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球處理小麥光合作用參數(shù)之間未達(dá)到顯著差異(P>0.05)。而在高蒸騰環(huán)境中,低濃度(0.5 mg·L-1)微球會(huì)顯著增加小麥葉片光合速率和蒸騰速率(P<0.05)。高低兩種蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球的添加對(duì)小麥葉片胞間二氧化碳濃度無(wú)顯著影響。已有研究發(fā)現(xiàn),聚氨酯〔(3.79±0.60) mm〕可以顯著提高玉米光合速率[17],暴露于100和300 nm的聚苯乙烯納米塑料刺激了玉米葉片蒸騰速率,增加細(xì)胞間二氧化碳濃度[32]。然而,也有其他研究報(bào)道了相反的現(xiàn)象,例如,微塑料會(huì)降低生菜葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和葉綠素含量等[8]。這可能是由于微塑料降低了參與光合作用的光合色素,損傷了PSⅡ光反應(yīng)中心,降低了光能轉(zhuǎn)換效率,進(jìn)而影響植物光合作用[33]。例如,葉綠素b含量在LHCⅡ復(fù)合體組裝與穩(wěn)定方面起著重要作用,且LHCⅡ可維持類囊體膜的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)激發(fā)能在2個(gè)光系統(tǒng)之間的分配,而葉綠素b在高濃度微球暴露條件下會(huì)顯著降低(圖4)。因此,迫切需要深入研究微塑料影響植物光合作用的機(jī)制。

2.2.3不同溫濕度條件下微球?qū)π←溣酌缈寡趸到y(tǒng)的影響

植物受到逆境脅迫時(shí),會(huì)產(chǎn)生超過(guò)植物自身清除能力水平的活性氧(ROS),ROS具有較強(qiáng)的氧化能力,會(huì)引發(fā)植物組織產(chǎn)生一定程度的氧化損傷[3]。丙二醛(MDA)是植物細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸產(chǎn)生過(guò)氧化反應(yīng)的產(chǎn)物,是表征細(xì)胞膜氧化損傷的標(biāo)志物[9]。一般植物體內(nèi)MDA含量越高,說(shuō)明氧化損傷越嚴(yán)重。在植物的抗氧化酶系統(tǒng)中,超氧化物歧化酶(SOD)可將植物體內(nèi)超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)化成過(guò)氧化氫與氧氣。雖然過(guò)氧化氫仍是對(duì)生物體有害的活性氧,但植物體內(nèi)過(guò)氧化氫酶(CAT)會(huì)將植物體內(nèi)過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化成水和氧氣[34]。兩種蒸騰環(huán)境中不同濃度微球暴露條件下小麥根和莖葉SOD、CAT活性和MDA含量見(jiàn)圖5。

n=3。同一幅圖中,圖柱上方英文大、小寫(xiě)字母不同分別表示高蒸騰和低蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球處理之間小麥某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。*、**和***表示在同一微球暴露濃度下,小麥某指標(biāo)在高蒸騰和低蒸騰兩種環(huán)境之間分別在0.05、0.01和0.001水平上差異顯著。

圖5顯示,同一微球濃度處理下,高蒸騰環(huán)境中小麥莖葉SOD活性均顯著高于低蒸騰環(huán)境(P<0.05)。在高低兩種蒸騰環(huán)境中,隨著PS微球暴露濃度的增加,小麥根和莖葉中SOD活性均逐漸增加。當(dāng)PS微球暴露濃度達(dá)200 mg·L-1時(shí),與對(duì)照相比,高蒸騰環(huán)境中小麥莖葉中SOD活性顯著增加210.12%(圖5),這可能是因?yàn)榛钚匝踉谛←溓o葉中積累,產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),SOD活性也會(huì)顯著增加。在低蒸騰環(huán)境中,隨著PS微球暴露濃度的增加,小麥根和莖葉中CAT活性均未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)。然而,在高蒸騰環(huán)境中,隨著微球濃度的增加,小麥莖葉中CAT活性顯著降低(P<0.05),與對(duì)照相比,0.5、5、50和200 mg·L-1微球濃度處理分別降低29.79%、36.65%、38.69%和42.78%(圖5)。與低蒸騰環(huán)境相比,高蒸騰環(huán)境下小麥莖葉氧化損傷較明顯,可能是由于高蒸騰拉力促進(jìn)微球向小麥地上部傳輸,微球在小麥莖葉中的積累造成組織損傷,也可能是小麥莖葉對(duì)SOD活性產(chǎn)生應(yīng)激抑制作用[35]。中高濃度微球(50、200 mg·L-1)暴露下,高蒸騰環(huán)境中小麥根部和地上部MDA含量均顯著高于低蒸騰環(huán)境(P<0.05)(圖5)。在低蒸騰環(huán)境中,與對(duì)照相比,200 mg·L-1PS微球暴露處理小麥莖葉中MDA含量顯著增加26.61%(P<0.05);然而,在高蒸騰環(huán)境中,與對(duì)照相比,小麥根中MDA含量顯著增加12.33%(P<0.05)。抗氧化酶活性和丙二醛含量結(jié)果表明,小麥對(duì)PS微球脅迫具有一定耐受性,ROS短暫升高是由于小麥為免受PS微球脅迫而產(chǎn)生的自我調(diào)節(jié)反應(yīng),但隨著PS微球濃度增加,ROS積累量超過(guò)抗氧化酶調(diào)節(jié)能力的閾值。ROS過(guò)量積累會(huì)引發(fā)小麥根氧化損傷,且PS微球暴露濃度越高,小麥體內(nèi)ROS積累越多,氧化損傷程度就越明顯。GAO等[36]研究表明高濃度微塑料能顯著降低CAT活性,可能是由于作為ROS清除劑的CAT被顯著消耗,或者是由于酶失活和抑制δ-氨基乙酰丙酸合成(與抗氧化酶合成相關(guān))[37-38],筆者研究結(jié)果與之相一致。JIANG等[13]發(fā)現(xiàn),在較低濃度條件下,PS塑料可以誘發(fā)細(xì)胞的抗氧化防御機(jī)制,而在高濃度條件下,產(chǎn)生的過(guò)量ROS不能被迅速清除,導(dǎo)致蠶豆中脂質(zhì)過(guò)氧化增加。這一現(xiàn)象的潛在機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論與展望

該文研究了不同溫濕度條件下微塑料對(duì)小麥生長(zhǎng)和生理的影響。在中高濃度微球暴露條件下,高蒸騰環(huán)境比低蒸騰環(huán)境更利于小麥從水培溶液中快速吸收PS微球并將其傳輸至地上部。在高蒸騰環(huán)境中,不同濃度微球均會(huì)顯著抑制小麥主根長(zhǎng)度,對(duì)小麥地上部抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生損傷,且高濃度微球會(huì)降低小麥葉片葉綠素b含量,但低濃度微球會(huì)促進(jìn)光合速率和蒸騰速率。在高濃度微球暴露條件下,高蒸騰環(huán)境中小麥根部和低蒸騰環(huán)境中小麥地上部MDA含量均顯著升高,出現(xiàn)脂質(zhì)過(guò)氧化損傷。

然而,筆者僅研究了不同溫濕度條件下微塑料對(duì)植物苗期生長(zhǎng)狀態(tài)的影響,對(duì)植物整個(gè)生命周期及果實(shí)質(zhì)量等的影響仍有待深入研究,以期揭示環(huán)境因素對(duì)高等植物吸收微塑料及其毒性作用的影響機(jī)制。此外,未來(lái)應(yīng)采用不同類型、形貌和老化狀態(tài)的環(huán)境濃度微塑料進(jìn)行田間試驗(yàn),以揭示不同微塑料性狀與植物毒性效應(yīng)之間的作用機(jī)制。