聚氯乙烯微塑料和Cu对土壤理化性质与小麦生长的影响及机制

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微塑料(Microplastics,MPs)作为一类新型污染物,相关环境问题已引起全球范围的关注。我国是世界上主要塑料产品制造与消费的国家之一,相关塑料制品被使用后,仅有6%~20%被回收利用,从而导致大量的剩余废弃塑料进入到土壤环境中。进入土壤中的微塑料会对土壤生态系统造成较为严重的负面影响,微塑料会影响土壤的酸碱度、电导率等理化性质,并且危害植物的正常生长。此外,重金属也是一种较为普遍的污染物,并且具有较大的生物毒理性,而部分地区的农田土壤重金属污染严重,易使土壤重金属含量点位超标,降低土壤酶活性,增大植物的重金属富集效应等。一旦土壤中的微塑料与重金属共存,势必会形成微塑料-重金属复合污染,进而对土壤理化性质和植物生长产生影响,当前,尚缺乏相关研究。本论文施加聚氯乙烯微塑料和二水合氯化铜溶液模拟土壤受到微塑料和Cu污染,并以盆栽的方式在实验室内种植小麦,以每盆所承装的土壤质量为基准,通过往盆中投加不同比例(0.1%、1%、10%)的未老化聚氯乙烯微塑料(NAP)、老化聚氯乙烯微塑料(AP)以及一定浓度的二水合氯化铜溶液,得到14组处理:0.1%NAP、1%NAP、10%NAP、0.1%NAP-Cu、1%NAP-Cu、10%NAP-Cu、Cu、0.1%AP、1%AP、10%AP、0.1%AP-Cu、1%AP-Cu、10%AP-Cu,以此来探究聚氯乙烯微塑料和Cu对土壤理化性质和小麦生长的影响及机制。主要研究结果如下:(1)分别对实验前的NAP和AP进行表征分析,从扫描电子显微镜的观测中可以看出,经过老化处理,聚氯乙烯微塑料的表面更加粗糙,出现了许多孔隙和沟壑结构;同时从傅里叶红外光谱分析中发现,未老化与老化微塑料中相关官能团的种类和数量随着老化时间的增多而逐渐减少;对聚氯乙烯微塑料的晶型结构并无太大影响,但比表面积和平均孔径较未老化聚氯乙烯微塑料显著增大。(2)仅NAP处理下,土壤pH值、电导率均较为稳定,变化幅度较小,土壤阳离子交换量呈增大趋势,对土壤蔗糖酶(SUC)及过氧化氢(CAT)酶活性均有抑制作用;仅AP处理下,土壤pH值的变化趋势与仅NAP处理下一致,土壤电导率和阳离子交换量均呈逐渐减少的趋势;仅Cu处理下,土壤pH值有所减小,土壤电导率、阳离子交换量显著增大,土壤SUC和CAT活性的变化趋势与仅NAP处理一致。各单一处理中,土壤有机质含量均呈不同程度的减小趋势。在联合处理下,相较NAP和AP处理,土壤pH值均呈先减小后增大的趋势,相较仅Cu处理,土壤pH值显著增大,相较仅NAP和仅Cu处理,土壤电导率呈先增大后减小的趋势,相较AP处理,土壤电导率明显增大。同时,土壤阳离子交换量的变化趋势与土壤电导率大致相同;联合处理下的土壤有机质含量均减少,相较仅NAP处理,土壤有机质含量呈先增大后减小的趋势,相较仅AP和仅Cu处理,土壤有机质含量的变化趋势较仅NAP处理相反。联合处理对土壤SUC和CAT活性既有促进作用,又有抑制作用,相较NAP处理,土壤SUC活性逐渐减小,土壤CAT活性呈先增大后减小的趋势,相较AP处理,土壤SUC和CAT活性变化趋势较仅NAP处理相反;相较仅Cu处理,土壤SUC和CAT活性均呈先增大后减小的趋势。在含有Cu的处理,土壤中Cu含量较单一微塑料处理更大,并随着微塑料投加量的增加,所有处理中的Cu含量逐渐减小,仅在Cu处理下,土壤中的Cu含量达到最大值。土壤基质中Cu的可交换态(F1)和碳酸盐结合态(F2)占比较高,在NAP-Cu和AP-Cu处理下,F1和F2占比增大,铁锰氧化物结合态(F3)、有机物结合态(5)硫化物结合态(F4)和残渣态(F5)占比均逐渐减小。相较NAP处理,在NAP-Cu联合处理下,F1和F2占比增大,其余各形态占比逐渐减小;相较AP处理,在AP-Cu联合处理下,F1和F3占比增大,其余各形态占比逐渐减小。(3)各处理中的小麦根长与茎长均出现不同程度的增大。相较NAP处理,在NAP-Cu联合处理下,根长与茎长有所增长,而仅在Cu处理下,根长与茎长略微减小;相较AP处理,在AP-Cu联合处理下,根长与茎长呈现先增大后减小的趋势。小麦地上部与地下部的鲜干重呈现不同程度的变化趋势。相较NAP处理,在NAP-Cu联合处理下,地上、地下鲜重与干重均有所增大,而相较AP处理,在AP-Cu联合处理下,地上鲜重与干重略微减小;相较AP处理,在AP-Cu联合处理下,地下鲜重与干重逐渐增大,与仅Cu处理相比,地下鲜重与干重均呈现减小的趋势。各处理中的小麦POD活性较对照组均被抑制,联合处理下的小麦POD活性较NAP和AP处理下更低,仅Cu处理下的小麦POD活性略高于NAP-Cu联合处理。相较NAP处理,在NAP-Cu联合处理下,小麦SOD活性略微增大;相较仅Cu和AP处理,在AP-Cu联合处理下,小麦SOD活性均呈现不同程度的减小;小麦CAT活性的变化趋势与POD活性相同,各处理中的小麦CAT活性都被抑制。仅Cu处理下,小麦MDA含量最高,说明在该处理下小麦发生了较多的膜脂过氧化反应,受到的胁迫程度最大,相较各单一处理,在联合处理下的小麦MDA含量均呈逐渐减少的趋势。在含有Cu的处理,小麦地上与地下部分的Cu含量均较不含Cu的处理更大,并且各处理均随着聚氯乙烯微塑料投加量的增多而呈现减小的趋势,说明聚氯乙烯微塑料能够富集土壤中更多的Cu。
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