微塑料/纳米塑料对维管植物的影响

杨满香

(重庆师范大学生命科学学院,重庆 401331)

塑料以其便携、耐用、成本低廉等特点,被广泛应用于农业、工业、服务业,逐渐成为人类生活中不可或缺的一部分[1-3]。据统计,2019年,全球塑料产量达到了3.68亿t,且呈现出每年持续递增的趋势[4],其中仅有9%的塑料被回收,其余的则被焚烧、掩埋或随意丢弃在自然环境中[5]。然而大多数塑料很难在自然环境下降解,它们可以在生态系统中存在几十年甚至上百年的时间,在这个过程中,塑料会经历物理、化学和生物作用,例如机械磨损、紫外线辐射、微生物降解等,从而分解成不同大小的塑料颗粒[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,微塑料应定义为粒径1～1 000 μm的塑料颗粒,纳米塑料范围则为1～1 000 nm。微塑料的外形多为圆柱形、圆形和圆盘状,颜色通常为透明、白色和灰色,而且微塑料种类繁多,根据材质划分,主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺类(PA)等[10-11]。

维管植物是维持生态平衡的重要组成部分,在碳循环和氧循环中发挥着不可替代的作用,具有调节气候、防止水土流失、为生物体提供栖息地等生态功能[12]。据报道,MPs/NPs可存在于各种环境中,如海洋、湖泊、农田等[13-15],即使在远离人类活动的北极和南极的海洋表面和深海沉积物中也有微塑料的痕迹[16-17]。研究表明,MPs/NPs可被动、植物摄入并影响其生长发育[18-20]。此外,MPs/NPs由于比表面积大和高疏水性,可以吸附不同类型的环境污染物[21],如多氯联苯(PCBs)[22-23]、多环芳烃(PAHs)[24-25]、抗生素[26-27]和重金属等[28]。因此,MPs/NPs被认为是一类对环境构成巨大威胁的新兴污染物[29]。基于微塑料来源广泛、存在周期长、易迁移、易转运有毒污染物、易被生物体吞食吸收等特点,因其所造成的污染及生态风险已引起国内外学者高度重视,深入研究环境微塑料对维管植物的影响及其作用机制对于评估微塑料污染给生态系统带来的风险具有重要意义。

1 MPs/NPs的来源及进入途径

微塑料来源广泛,主要分为初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料可存在于洗面奶、指甲油、防晒霜等化妆品中,如每使用5 mL的化妆品就会导致4 594～94 500个球类微塑料进入污水处理系统[30]。次级微塑料主要是由一些大型塑料经过风化、紫外线照射等外力作用裂解而成的细小碎片,如工业原料、各类食品和饮品的包装、购物袋等[10]。

此外,污水处理厂的生活污水也含有大量微塑料,如殷伟庆等[31]对镇江市3家典型污水厂水样进行微塑料调查,结果在样品中检出14种微塑料,且微塑料丰度分别为2 226、2 263和1 950个/L。此外,污水中的一部分塑料会进入污泥中,通常被用作肥料或修复材料,在这个过程中,大量的微塑料将被带入到陆地环境中[10]。Corradini等[32]进行了一项针对智利31个接受不同年限污泥施用的农用土壤的调查研究。结果显示,随着污泥施用量的增加,土壤中微塑料的含量也逐渐增加。在施用了5次污泥后(总量为200 t/hm2),土壤中微塑料的平均丰度达到了3 500 个/kg。

2 MPs/NPs单一作用对维管植物生长的影响

MPs/NPs会影响维管植物的生长,评估这些影响最常用的方法是测量其植物的各部分的生物指标,以确定MPs/NPs的植物毒性。例如,在种子萌发期间,塑料颗粒会积聚在种子表面,以致减少了种子对水分和养分的吸收,进而影响种子发芽[33-34]。当蕨类植物(Ceratopterispteridoides)暴露于聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)后,会破坏孢子从吸胀到萌发到配子体的整个发育阶段,从而影响其繁殖过程[34]。吴佳妮等[35]研究了2种粒径PS-NPs(20、100 nm)对大豆(Glycinemax)种子发芽的影响,结果表明,2种粒径PS-NPs均能抑制种子的发芽能力(发芽势、发芽指数、活力指数、平均发芽速度和发芽率),其中发芽抑制率在一定程度上与暴露时间呈负相关关系。

MPs/NPs还可影响维管植物的幼苗、芽、茎、叶、根和果实的发育。van Weert等[36]发现,PS-MPs可显著影响穗状豆蔻的干重和侧枝数。莴苣(LactucasativaLinn.)暴露在微塑料中可显著降低叶和根的鲜重和干重、株高、叶数和根长[37]。拟南芥暴露于PS-NPs时,其幼苗生长受到明显抑制,鲜重较低,株高较短[38]。此外,MPs/NPs也可以推迟小麦(TriticumaestivumL.)的分蘖阶段,并减少水果数量,从而导致MPs/NPs对农作物产量产生负面影响[39]。20和100 nm PS-NPs对根长、芽长和苗长的影响表现为“低浓度促进,中高浓度抑制”,20 nm PS-NPs对根尖数量无显著影响,而100 nm PS-NPs则表现出促进作用,20和100 nm PS-NPs抑制了根直径和干重[35]。

MPs/NPs也可以对不同的植物种类产生不同的影响。Lian等[40]研究表明,PS-NPs对小麦种子发芽率无明显影响,但却增加了根的伸长。在Yang等[41]的研究中,高密度聚乙烯HDPE-MPs促进了玉米(ZaymaysL.)的发芽并增加了根系生物量,促进了植物生长;但在拟南芥和小麦中未发现MPs/NPs对植物有生长抑制作用[42-43]。因此,MPs/NPs对植物的影响是复杂多样的。在刘蓥蓥等[44]的研究结果中,各浓度微塑料处理对绿豆的发芽率均无显著抑制作用,在设定的暴露浓度下,0.550～0.800、0.106～0.150 mm 的微塑料对芽长、根长、鲜重、千重均无抑制作用,在一定浓度下甚至有刺激作用。PE-MPs对大豆根部鲜重有促进作用,而0.1%聚乳酸微塑料(PLA-MPs)则会抑制根部长度[45]。

3 MPs/NPs单一作用对维管植物的生理影响

氧化应激会破坏植物应对过量活性氧(ROS)的能力,从而诱导植物的抗氧化防御系统被激活,并对分子造成氧化损伤[46]。在面对胁迫时,维管植物会通过抑制酶的产生来减少活性氧物种(ROS)的积累,从而干扰叶绿素的合成过程。这一干扰进而会影响叶绿素和类胡萝卜素的含量水平[47]。生菜的叶绿素a和叶绿素a+b的变化随PE-MPs的浓度增加而减少,而叶绿素b没有观察到显著变化[37]。

在相关研究中,评价对维管植物的氧化损伤,通常是评估抗氧化酶活性和检测丙二醛(MDA)含量[48]。例如,安菁等[49]发现,当大豆生长时间延长时,鉴于微塑料胁迫的存在,MDA含量总体呈上升趋势,但SOD、POD和CAT活性提高致使MDA含量降低。Li等[50]发现,PVC颗粒(100 nm～18 μm)对MDA含量没有显著影响,但却显著提高SOD活性,并促进了类胡萝卜素的合成;然而PVC(18～150 μm)则抑制了类胡萝卜素的合成。研究还发现,PS-NPs(100 nm)能显著提高黄瓜叶片的叶绿素、渗透调节物质以及叶绿素荧光参数均显著降低;当黄瓜叶片暴露于PS-NPs时,MDA、脯氨酸、酶活性和过氧化氢含量显著增加;另外,微塑料的粒径增大会导致SOD和CAT的相对表达水平和酶活性降低[51]。孙晓东[52]的研究也发现,PS-NPs诱导了拟南芥植株抗氧化活性相关基因的下调,同时在根部积累了更多的H2O2,这进一步导致了根部ROS水平的积累。廖苑辰等[53]发现,随PS-MPs含量的增加,小麦叶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与其他污染物的复合污染对维管植物的影响

MPs/NPs还可以与其他污染物共存,造成对植物的复合污染。污染物共存时会产生独立作用、相加作用、协同作用和拮抗作用,其中研究较多的是后3种作用[54-55]。

由于MPs/NPs具有较强的吸附能力,可吸附不同的污染物。例如杨晓静[56]通过PS、PE、PP、PVC和聚酰胺类(PA)5种微塑料以及磺胺嘧啶、环丙沙星、甲氧苄啶、四环素和阿莫西林5种抗生素进行吸附过程的机制研究,发现不同的微塑料具有不同的吸附能力,但均能吸附抗生素。单宁等[57]证明,水体中微塑料(PS)与环丙沙星(ciprofloxacin,CIP)的共存能够抑制黑麦草植株的根长、鲜重以及叶绿素含量等生长参数,同时也能在植物体内积累CIP,加重CIP对植物生长的毒性作用。PS-MPs和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)复合污染,抑制生菜的光合作用和糖代谢,从而降低生菜的品质[58]。此外微塑料颗粒自身可以扮演一个载体的角色,将多环芳烃转移到小麦植株的根部[59]。

除此之外,由于重金属的高移动性、持久性和高生物毒性,MPs/NPs对重金属的富集、环境迁移等造成的环境灾难备受研究者关注[60]。聚苯乙烯和聚四氟乙烯微塑料可以减少水稻对砷的吸收和累积,但它们也能通过与重金属砷协同抑制根系活力和二磷酸核酮糖羧化酶活性来减少水稻的生物量[61]。宁瑞艳等[62]对PS-MPs(0、100、500 mg/L)与镉(200 μmol/L)复合试验的研究表明,PS-MPs促进了东南景天和叶芽鼠耳芥对镉的吸收,且PS-MPs浓度越高,促进作用越明显。根据杨子[63]的研究,与单一污染相比,微塑料-镉的复合污染对种子萌发与幼苗生长具有拮抗作用,在一定程度上降低了单一污染物的毒害作用,聚乙烯微塑料可降低植物对重金属镉的吸附能力。李贞霞等[64]发现,不同粒径的PVC颗粒(<18 μm,18～150 μm)能够减轻镉对黄瓜根系活力的负面影响,MPs与Cd联合污染对黄瓜叶片中的SOD和H2O2具有中和作用。刘玲等[65]发现,PS-MPs诱导了水稻幼苗根系的氧化损伤并抑制其生长;低浓度PS-MPs可以缓解Pb对水稻幼苗根系的氧化胁迫,而高浓度PS-MPs则可能与Pb产生了协同作用,加剧了Pb对水稻根系的氧化损伤。王泽正等[66]研究表明,与单独的微塑料污染或镉污染相比,微塑料和镉的复合效应对水稻种子的生长特性、根长和芽长产生了普遍的拮抗作用。换言之,微塑料和镉的共同作用会抵消它们各自对水稻种子生长的影响。在一定程度上降低了单一污染物的毒害作用[67]。

微塑料除了本身能与抗生素、重金属、有机污染物等产生复合污染外,还可以在各种环境中充当桥梁[68]。微塑料会吸附并携带重金属和抗生素,使其与土壤一同被应用,在此环境下,维管植物在土壤中吸收养分,进一步可能改变维管植物的生长[69]。这种情况将对后续农作物的食品安全产生负面影响,进而对人类健康构成严重威胁。

5 结语

维管植物作为人类和动物赖以生存不可或缺的重要组分之一,也是人类和动物的主要食源之一,它对保持生态系统平衡起到了至关重要的作用。维管植物对微塑料的影响至关重要,MPs/NPs会积聚在维管植物中,环境中广泛存在的MPs/NPs会被维管植物吸收、累积、转运,进而有可能通过多种暴露途径在生物体和人体中累积,从而对生物体和人类健康产生潜在的不利影响。MPs/NPs污染已成为研究难题,已有研究表明,微塑料和纳米塑料进入植物的根茎内部后,会导致氧化压力的产生,而这将改变植物对养分和水分的吸收和运输方式。因此,这种情况会对植物的发芽、根茎的生长和发育,以及干重、鲜重等部分生理指标产生影响[70]。MPs/NPs不仅影响维管植物的生长,而且会通过食物迁移,进一步影响扩大范围。人类既是塑料的生产者,也是塑料的消费者,维管植物会导致人类直接或间接接触塑料的摄入。为了缓解微塑料污染,保护生态健康,除了一些相应的防控措施,应从源头上降低废弃塑料进入自然生态环境的风险。