生物炭對設(shè)施土壤中聚氯乙烯微塑料植物毒性的影響研究

李 嘉,喻雨霏,崔 敏

(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

設(shè)施農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量大,經(jīng)濟(jì)效益高,在我國鄉(xiāng)村振興建設(shè)中扮演著重要角色,是緩解我國因人多地少而制約可持續(xù)發(fā)展問題的有效措施。由于塑料大棚建造容易、成本低且使用方便,塑料棚膜覆蓋已成為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中占比最大的一種種植模式(>90%)。聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)膜透光率高、保溫效果好,被廣泛用于建設(shè)塑料大棚[1]。以農(nóng)業(yè)大省河南為例,全省約40%的塑料大棚使用PVC膜[2]。然而,PVC棚膜的使用壽命較短,長期的高溫和紫外輻射加速了PVC膜的老化破碎,由此產(chǎn)生的PVC微塑料進(jìn)入設(shè)施土壤,加之高強(qiáng)度的水肥管理,導(dǎo)致設(shè)施土壤中PVC微塑料污染現(xiàn)象十分普遍[3-4],如武漢市某設(shè)施土壤中PVC微塑料豐度高達(dá)13 600 個·kg-1[3],對土壤健康和糧食安全構(gòu)成巨大威脅。

近年來,相關(guān)學(xué)者圍繞微塑料的植物毒性開展了大量研究[5-6]。結(jié)果表明,微塑料可通過多種機(jī)制對蔬菜作物產(chǎn)生毒害。一方面,微塑料能夠附著在根系表面,損傷根系或堵塞養(yǎng)分輸運(yùn)孔道[7-8];小粒徑(<2 μm)微塑料能被根系吸收并轉(zhuǎn)移至地上組織[9],干擾植物正常代謝并調(diào)控其基因表達(dá)[10]。另一方面,微塑料能改變土壤理化性質(zhì)、影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能并干擾其他土壤污染物的生物有效性[11],從而對作物生長產(chǎn)生間接影響。在眾多類型微塑料中,PVC微塑料的植物毒性最強(qiáng)[12-13],這可能與其具有高含量的塑化劑有關(guān)[14]。設(shè)施土壤PVC微塑料污染造成作物產(chǎn)量、品質(zhì)降低,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外,被作物吸收的PVC微塑料可能通過食物鏈進(jìn)入人體,嚴(yán)重威脅公眾健康。因此,亟需提出緩解農(nóng)田PVC微塑料植物毒性的措施。

生物炭孔隙發(fā)達(dá)、比表面積大、表面官能團(tuán)豐富,具備較強(qiáng)的吸附性能,因此被廣泛用于污染土壤修復(fù)[15]。研究表明,生物炭能有效鈍化土壤中的有機(jī)污染物和重金屬,并阻控土壤污染物在作物體內(nèi)積累,從而降低其植物毒性[16-17]。生物炭對于土壤中的顆粒態(tài)污染物同樣具有較強(qiáng)的固定鈍化作用[18],研究表明,向土壤中施加生物炭能降低植物對工程納米顆粒的吸收[19]。此外,生物炭在土壤改良和作物增產(chǎn)方面也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。因此,筆者提出如下假設(shè):生物炭能夠緩解土壤PVC微塑料的植物毒性。

為驗(yàn)證上述假設(shè),筆者選取全球消費(fèi)量巨大的生菜(Lactucasativa)為供試植物,基于盆栽試驗(yàn),設(shè)置空白對照、單一PVC微塑料暴露、PVC微塑料和不同濃度生物炭復(fù)合暴露處理組,對比分析不同處理組生菜生長指標(biāo)和生理生化指標(biāo),評估生物炭對土壤PVC微塑料植物毒性的影響,為治理設(shè)施土壤微塑料污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

碳酸鈣、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、過氧化氫和乙醇購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,均為分析純。球形PVC微塑料(0.1～1.0 μm)購自東莞中聯(lián)塑化有限公司。玉米芯生物炭(CCBC)購自河南立澤環(huán)?？萍加邢薰?將CCBC研磨后,過孔徑為180～250 μm(60～80目)篩網(wǎng)備用。供試土壤采自揚(yáng)州大學(xué)試驗(yàn)田(32°20′27.20″ N,119°24′01.81″ E),其理化性質(zhì):pH為7.16,w(有機(jī)碳)為22.6 mg·g-1,w(總氮)為0.78 g·kg-1,w(總磷)為0.89 g·kg-1,w(速效鉀)為0.16 g·kg-1,陽離子交換量為5.4 cmol·kg-1,黏粒(<2 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.81%,粉粒(2～50 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.39%,砂粒(>50 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.80%。將土壤置于自然條件下風(fēng)干,過孔徑為850 μm(20目)篩備用。采用目檢法測定供試土壤中微塑料豐度較低,為(80±32)個·kg-1,故未對供試土壤作凈化處理。生菜種子購自河北省清縣興運(yùn)蔬菜育種中心。播種前,利用體積分?jǐn)?shù)φ=2%過氧化氫溶液對種子消毒30 min,隨后用超純水反復(fù)沖洗。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)于2022年6月至7月在光照培養(yǎng)箱(PGX-280-LED,熙揚(yáng))中進(jìn)行。稱取200 g供試土壤并將其置于不銹鋼盆中,加入2 g PVC微塑料充分混合,配制w=1.0%的PVC微塑料污染土壤;然后,分別加入w為0、0.5%、1.0%、2.5%和5.0%的CCBC,再次混合均勻后將其裝入花盆中,于自然條件下平衡14 d。同時,設(shè)置無CCBC和PVC的空白組作為對照,每個處理組設(shè)置3個平行,共計(jì)18盆。盆栽試驗(yàn)設(shè)置見表1。選擇飽滿均勻的生菜種子播種,每盆10粒。培養(yǎng)條件:溫度為25 ℃,光照周期為t(光)∶t(暗)=14 h∶10 h,[光]照度為7 000 lx,濕度為65%,每天按照最大飽和持水量的60%澆水。培養(yǎng)7 d后間苗,每盆留1株長勢相近的幼苗。培養(yǎng)35 d后收獲生菜并測定相應(yīng)指標(biāo)。

1.2.2指標(biāo)測定

將生菜連同根部從土壤中挖出,用超純水沖洗生菜根部,以去除附著的雜質(zhì)。用濾紙吸干水分后,用剪刀將生菜從莖枝底端剪開,分為莖葉(地上部)和根部(地下部)兩個部分,采用分析天平稱量植株鮮重。

取0.2 g新鮮生菜葉片,于研缽中剪碎,加入少許石英砂、碳酸鈣粉及2～3 mL體積分?jǐn)?shù)φ=95%乙醇,研磨成勻漿,繼續(xù)加入φ=95%乙醇研磨至植物組織變?yōu)榘咨?靜置3 min后過濾,并用φ=95%乙醇定容至25 mL。使用UV-vis分光光度計(jì)(UV-2450, Shimadzu, Japan)測定波長663和645 nm處吸光度。葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)和總?cè)~綠素含量計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中ca、cb和ct分別為葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量,mg·L-1;D663和D645分別為663和645 nm波長處提取溶液吸光度;V為提取溶液體積,mL;m為生菜葉片鮮重,g。

取適量新鮮生菜的葉片和根部組織,按照1∶9的質(zhì)量比將其與磷酸鹽緩沖溶液(PBS, pH為7.4)混合,然后置于冰水浴中勻漿;將生菜組織勻漿液置于低溫離心機(jī)內(nèi),于4 ℃條件下,以10 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心(離心半徑為9.8 cm)10 min后備用。隨后,使用南京建成生物工程研究所提供的專用試劑盒測定生菜組織勻漿中的過氧化氫(H2O2)含量、維生素C(VC)含量、過氧化氫酶(CAT)活性、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 22軟件(SPSS Inc., Chicago, USA)對不同處理組數(shù)據(jù)間差異性進(jìn)行Fisher LSD檢驗(yàn)的單因素方差(ANOVA)分析,顯著水平設(shè)置為P<0.05。采用Origin Pro 2021軟件(OriginLab Corporation, USA)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生菜生長指標(biāo)的響應(yīng)

PVC和CCBC對生菜生物量的影響見圖1。與對照組相比,PVC單獨(dú)暴露組生菜葉鮮重和根鮮重分別降低12.04%和23.54%。向含有PVC的土壤中添加w為0.5%～5.0%的CCBC后,生菜葉鮮重和總鮮重呈現(xiàn)先增加后降低趨勢,當(dāng)w(CCBC)為2.5%時達(dá)到最大值,顯著高于單一PVC處理組(P<0.05)。此外,與單一PVC處理組相比,添加CCBC處理組生菜根鮮重顯著增加(P<0.01),但各濃度處理組之間無顯著差異。

就葉片或根部或總鮮重而言,柱子上方英文小寫字母不同表示不同處理間鮮重差異顯著(P<0.05)。

2.2 生菜生理生化指標(biāo)的響應(yīng)

2.2.1葉綠素含量變化

如圖2所示,PVC單獨(dú)暴露下生菜葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均顯著高于對照組(P<0.01),分別較對照組增加57.3%、105.7%和70.0%。與PVC單獨(dú)暴露組相比,添加w為0.5%～5.0%的CCBC導(dǎo)致生菜葉片光合色素含量顯著降低(P<0.01);但是,葉綠素含量與CCBC濃度之間不存在相關(guān)性。除0.5%CCBC處理組外,其余CCBC處理組生菜葉片光合色素含量均高于對照組。此外,不同處理組生菜葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量的變化趨勢高度一致。

同一幅圖中,柱子上方英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.2.2H2O2含量變化

如圖3所示,單一PVC處理組生菜葉片和根部H2O2含量均顯著高于對照組(P<0.01)。與單一PVC處理組相比,所有CCBC處理組葉片H2O2含量均顯著降低(P<0.01),且在5%CCBC暴露下達(dá)到最小值;除1.0%CCBC處理組外,添加CCBC對生菜根部H2O2含量無顯著影響。此外,所有復(fù)合暴露處理組生菜根部H2O2含量均顯著高于對照組(P<0.01),但葉片中H2O2含量呈現(xiàn)相反趨勢。

就葉片或根部而言,柱子上方英文小寫字母不同表示不同處理間H2O2含量差異顯著(P<0.05)。

2.2.3抗氧化系統(tǒng)變化

如圖4所示,單一PVC處理組葉片和根部VC含量顯著高于對照組(P<0.01)。除1.0%CCBC處理組外,其余CCBC處理組葉片VC含量較單一PVC處理組顯著降低(P<0.01);相反地,CCBC的添加導(dǎo)致根部VC含量增加,且根部VC含量與CCBC濃度呈強(qiáng)正相關(guān)(r=0.978 2)。

就同一幅圖中葉片或根部而言,柱子上方英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

與對照組相比,單一PVC處理組葉片CAT活性顯著降低(P<0.05),但根部CAT活性顯著增加(P<0.01)(圖4)。添加0.5%CCBC后,葉片CAT活性顯著高于單一PVC和對照處理,其余CCBC處理組葉片CAT活性較單一PVC處理組有所降低。與單一PVC處理組相比,復(fù)合暴露處理組生菜根部CAT活性顯著降低(P<0.01)。

如圖4所示,單一PVC處理組生菜根部GSH-Px活性較對照組顯著提高(P<0.05),但生菜葉片GSH-Px活性無明顯變化。向PVC污染土壤添加CCBC后,葉片GSH-Px活性較單一PVC處理組顯著降低(P<0.05),且在2.5%CCBC濃度條件下活性最低;相反地,隨著CCBC濃度從0.5%增加至5%,根部GSH-Px活性逐漸增加;當(dāng)w(CCBC)≥1%時,根部GSH-Px活性顯著高于單一PVC處理組(P<0.01)。

與對照組相比,單一PVC處理組生菜根部SOD活性顯著提高(P<0.01),但生菜葉片SOD活性無顯著變化(圖4)。當(dāng)w(CCBC)≥1%時,葉片中SOD活性顯著低于單一PVC處理組和對照組(P<0.05)。與單一PVC處理組相比,0.5%～2.5%CCBC處理組生菜根部SOD活性顯著降低(P<0.05);相反地,5.0%CCBC處理組生菜根部SOD活性顯著提高(P<0.05)。

2.2.4MDA含量變化

與對照組相比,單一 PVC處理組生菜根部MDA含量顯著增加(P<0.01),但葉片MDA含量無顯著變化(圖5)。除2.5%CCBC處理組外,復(fù)合暴露處理組葉片MDA含量顯著低于單一PVC處理組(P<0.05),且葉片MDA含量隨CCBC濃度增加呈先增加后降低趨勢;同樣地,0.5%～2.5%CCBC處理組生菜根部MDA含量降低,但5%CCBC處理組根部MDA含量顯著高于單一PVC處理組(P<0.01)。

就葉片或根部而言,柱子上方英文小寫字母不同表示不同處理間MDA含量差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 微塑料和生物炭對生菜生物量的影響

筆者研究結(jié)果表明,1%PVC微塑料顯著抑制生菜的生長(P<0.05),這與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果[12-13]一致。如圖6所示,PVC微塑料能附著在生菜根表面,這可能對根系造成物理性堵塞或機(jī)械損傷,影響水分和營養(yǎng)元素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)[7,20-21],從而抑制生菜生長發(fā)育。向PVC微塑料污染土壤添加CCBC后,生菜根鮮重和總鮮重顯著增加(P<0.05);隨著CCBC濃度的提高,生菜葉鮮重呈先增加后減小趨勢,且當(dāng)w(CCBC)為2.5%時達(dá)到最大值。這表明適當(dāng)濃度CCBC能緩解PVC微塑料對生菜生長的抑制,此與JIA等[22]報(bào)道的適量生物炭能緩解多溴聯(lián)苯醚的植物毒性結(jié)果相一致。推測可能的原因包括:(1)生物炭通過吸附固定土壤中的PVC微塑料,減少其生物有效態(tài)含量,從而減輕PVC對根系的負(fù)面影響;(2)生物炭附著在根表面,抑制了PVC微塑料與根系的接觸;(3)生物炭通過改善土壤質(zhì)量促進(jìn)生菜生長,提高對PVC微塑料的抵御能力。然而,高濃度(w=5.0%)CCBC對生菜葉鮮重產(chǎn)生的積極影響小于中等濃度,這可能是由于5.0%生物炭對土壤質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。例如,張海晶等[23]研究發(fā)現(xiàn),施加高濃度生物炭會降低土壤飽和導(dǎo)水率,速效磷、溶解性有機(jī)碳含量及堿性磷酸酶活性。此外,過量的生物炭附著在植物根系表面也可能抑制植物生長[22,24]。

紅色箭頭指PVC微塑料。

3.2 微塑料和生物炭對生菜葉綠素含量的影響

葉綠素是植物體內(nèi)的主要光合色素,其含量高低能夠反映光合作用的強(qiáng)弱[25]。筆者研究結(jié)果表明,單一PVC暴露增加了生菜葉片中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量,這與PIGNATTELLI等[13]報(bào)道的PVC微塑料能提高獨(dú)行菜(Lepidiumsativum)葉片葉綠素含量結(jié)果相一致。研究表明,植物體內(nèi)葉綠素的合成和降解處于一個動態(tài)平衡中[26],PVC暴露后可能會降低葉綠素的氧化和降解,導(dǎo)致葉綠素積累。此外,PVC微塑料能促進(jìn)氨基乙酰丙酸(合成葉綠素的必要物質(zhì))合成,從而提高葉綠素含量[13]。盡管PVC微塑料提高了生菜葉綠素含量,但生菜生物量顯著降低,表明PVC微塑料可能通過其他途徑對生菜產(chǎn)生毒性。與單一PVC處理相比,0.5%～5.0%CCBC不同程度地抑制了葉綠素的合成。這可能是由于CCBC降低了土壤中PVC微塑料暴露濃度,減弱了PVC對生菜葉綠素的正面影響。

3.3 微塑料和生物炭對生菜H2O2含量的影響

當(dāng)植物受到環(huán)境脅迫時,其體內(nèi)活性氧(ROS)含量會急劇增加[27]。筆者研究中,暴露于PVC微塑料后,生菜根部和葉片H2O2含量均顯著增加,表明PVC微塑料可能對生菜造成氧化脅迫。此外,PVC單一處理組生菜葉片中H2O2含量高于根部,這可能是由于PVC促進(jìn)了生菜光合作用,進(jìn)而加速H2O2的合成[24]。CCBC導(dǎo)致生菜葉片H2O2含量出現(xiàn)不同程度降低,表明CCBC能降低PVC微塑料引起的氧化脅迫,這可能與CCBC降低PVC微塑料的暴露濃度有關(guān)。相反地,CCBC的添加并未顯著改變生菜根部H2O2含量,甚至在特定濃度(1.0%)下提高根部H2O2含量。JIA等[22]指出,生物炭可以增加莧菜(Amaranthusmangostanus)根部ROS含量,筆者研究結(jié)果與之類似。這可能是因?yàn)镻VC和CCBC附著在生菜根系表面并造成根組織損傷,從而促進(jìn)根部H2O2的產(chǎn)生[27]。

3.4 微塑料和生物炭對生菜抗氧化系統(tǒng)的影響

為了清除ROS并減輕氧化損傷,生物體會激活其體內(nèi)的非酶抗氧化系統(tǒng)(如VC和谷胱甘肽)和酶抗氧化系統(tǒng)(如SOD、CAT和GSH-Px)[28]。VC是植物體內(nèi)重要的抗氧化物質(zhì),能直接去除自由基[29]。筆者研究結(jié)果顯示,單一PVC暴露顯著提高生菜葉片和根部VC含量。這表明生菜體內(nèi)VC合成受到刺激,通過促進(jìn)合成VC來清除PVC微塑料誘導(dǎo)產(chǎn)生的自由基。與H2O2變化趨勢一致,CCBC造成葉片VC含量出現(xiàn)不同程度的降低。然而,向PVC微塑料污染土壤中添加CCBC顯著增加了根部VC含量,表明PVC和CCBC復(fù)合暴露加劇了生菜根部的氧化脅迫,從而需要合成更多的VC以消除積累的自由基。

3.5 微塑料和生物炭對生菜MDA含量的影響

一般來說,抗氧化酶(如SOD和CAT)活性升高表示生物體內(nèi)存在氧化信號,但并不能說明機(jī)體發(fā)生了氧化損傷[31]。MDA是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物,可用于評估膜脂過氧化程度;MDA含量越高,細(xì)胞膜受到的損傷就越嚴(yán)重[30]。筆者研究結(jié)果表明,單獨(dú)暴露于PVC后,生菜根部MDA含量顯著高于對照組,但葉片MDA含量無顯著變化,表明土壤中PVC微塑料主要對生菜根系產(chǎn)生氧化損傷。中低濃度(w=0.5%～2.5%)CCBC顯著降低生菜根部MDA含量,表明適量的CCBC對PVC造成的根部膜脂質(zhì)過氧化損傷存在緩解作用。然而,5.0%CCBC則加劇了根組織的膜脂質(zhì)過氧化損傷程度。這是由于高濃度CCBC誘導(dǎo)根組織細(xì)胞產(chǎn)生和積累大量ROS,導(dǎo)致細(xì)胞膜受損,從而增加MDA含量。這表明過量CCBC會加劇植物的氧化損傷程度。向PVC微塑料污染土壤中添加CCBC后,生菜葉片MDA含量總體呈現(xiàn)降低趨勢,說明CCBC降低了生菜葉片的氧化損傷程度。

4 結(jié)論

PVC微塑料能附著在生菜根表面,誘導(dǎo)生菜根組織產(chǎn)生氧化損傷,影響根系正常生理功能,從而抑制生菜生長。向PVC微塑料污染土壤中添加適量(w=0.5%～2.5%)CCBC能減輕PVC微塑料對生菜根部和葉片造成的氧化損傷,同時促進(jìn)生菜的生長;然而,高濃度(w=5.0%)CCBC則加劇生菜根組織的氧化損傷程度。因此,通過施加生物炭降低土壤PVC微塑料的植物毒性具有可行性。