微塑料和碳纳米管在土壤中的复合生物效应

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微塑料(microplastics,MPs)和碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为新兴污染物,因其对生态系统的潜在不利影响而受到高度关注。土壤是MPs和CNTs的主要归宿之一,但MPs和CNTs在土壤中的复合生物效应尚不清楚。据此,选择难降解的高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)以及可生物降解的聚乳酸(PLA)等三种MPs,通过土壤培养试验和植物盆栽试验来研究MPs和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)单一和复合污染情况对土壤性质、微生物群落和花生生长的影响,明确MPs和MWCNTs共存如何影响土壤健康和作物的生长。土壤培养试验结果表明,土壤pH在10%HDPE和PLA处理中增加,但随MWCNTs浓度的增加而降低。土壤溶解性有机碳(DOC)含量仅在10%PLA处理中增加。MPs降低了NO3--N含量,值得注意的是在10%PLA处理中,NO3--N含量降低了99%。相似,10%MPs降低了有效磷含量。脲酶和碱性磷酸酶活性在PLA处理中增加,而在HDPE和PS处理中没有显著变化。荧光素二乙酸酯水解酶(FDAse)活性在HDPE处理中增加,在10%PLA处理中降低,但在PS处理中没有显著变化。另外,转化酶活性随MWCNTs的增加而降低。MPs和MWCNTs都改变了土壤细菌群落的多样性。10%MPs和1或10 mg/kg的MWCNTs的共同暴露通常会导致最低的物种丰富度和香农指数。MPs,尤其是10%剂量下,改变了细菌群落组成和相关的代谢途径,导致特定分类群和功能基因的富集。总之,传统难降解和可生物降解的MPs均能不同程度地改变土壤地球化学性质和微生物群落结构及功能,而共存的MWCNTs起到调控作用。植物盆栽试验结果表明,植物的存在并没有改变MPs和MWCNTs对NO3--N、NH4+-N和有效磷的影响趋势,但会改变MPs和MWCNTs对土壤脲酶、碱性磷酸酶和FDAse的影响。例如,HDPE和PS降低了碱性磷酸酶活性,而10%PLA对FDAse活性没有显著影响,100 mg/kg MWCNTs降低了碱性磷酸酶活性。另外,PS反而降低了土壤pH值。同时,MPs或100 mg/kg MWCNTs单一污染降低了土壤中速效钾、可交换性钙和镁的含量。土壤固氮菌α多样性在MPs暴露下没有显著改变,但在100 mg/kg MWCNTs暴露下显著降低。MPs和MWCNTs共同塑造根际固氮菌群结构。其中,10%PLA MPs引起的低无机氮环境促进了unclassified_o__Rhizobiales的生长,而1 mg/kg MWCNTs降低了10%PLA MPs处理下unclassified_o__Rhizobiales的相对丰度。植物指标结果表明,MPs对花生生长起促进作用。HDPE、PS和PLA增加了花生株高,10%HDPE增加了花生地下干重。MWCNTs虽然对花生株高并无显著性影响,但在一定程度上降低了花生生物量。另外,MPs降低了花生体内全氮含量,并且HDPE和PS均降低了花生叶片叶绿素含量,但PLA增加了花生叶片叶绿素含量。值得注意的是,10%PLA暴露下土壤无机氮的严重匮乏促进了花生根部结瘤,根瘤的大量存在有利于缓解土壤氮缺乏对花生的不利影响。相对于HDPE和PS,PLA增加了丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)的产生,激活植物体内抗氧化系统。另外,MWCNTs对植物抗氧化系统的影响取决于MWCNTs的浓度,其中100 mg/kg MWCNTs增加了植物过氧化物酶(POD)活性。植物生理生化水平的响应表明MPs和MWCNTs可能会对花生的健康生长发育带来风险。综上,MPs种类和剂量以及MWCNTs浓度是影响土壤微环境和花生幼苗生长的重要因素。MPs的存在显著改变土壤理化性质和微生物群落进而威胁到豆科植物的健康,尤其是土壤NO3--N含量。豆科植物-固氮菌共生系统的存在一定程度上弱化了MPs在土壤养分上带来的不利影响。不容忽视的是,MPs和MWCNTs对花生光合作用和抗氧化系统的影响可能会对其成熟期的健康生长埋下隐患。因此,MPs和MWCNTs对土壤健康、作物的生长发育以及粮食安全的风险不容忽视。
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