土壤中微塑料对陆生植物的毒性及其降解机制研究进展

微塑料(MPs)作为一种新型环境污染物,自2004年被英国科学家提出以来受到广泛关注.土壤作为微塑料的重要聚集地,随农田灌水和翻耕等农业操作的进行,微塑料污染范围和积累量不断扩大并对陆生植物产生多种毒性,且由于其粒径小、难降解和吸附能力强的特点给土壤微塑料污染治理带来了较大挑战.从微塑料的直接和间接毒性及其与其他污染物结合时产生的联合毒性这3个方面综述了微塑料对陆生植物的毒性,主要表现为微塑料存在对植物造成机械损伤、诱导植物产生氧化应激、细胞毒性和基因毒性,导致植物生长和植物组织代谢受阻等一系列问题.进一步,基于当前研究阐述了微塑料的物理、化学和微生物降解机制：微塑料的物理和化学降解主要通过改变微塑料的粒径大小和表面性质并产生中间产物;而更小粒径微塑料及其中间产物可以在物理、化学和微生物这3种因素同步影响下最终转化为水和二氧化碳,但该过程极其复杂和缓慢.最后,对微塑料的进一步研究方向进行展望,可为未来微塑料的陆地生态系统领域研究重点和污染控制提供资料借鉴.     

微塑料对环境介质中氮循环的影响研究进展

微塑料作为一种新污染物,在全球范围内引发了广泛关注.微塑料在威胁生物体健康的同时,也会通过定殖微生物等途径影响氮素正常的循环过程,但相关研究仍相对匮乏.本文在简述当前微塑料污染现状的基础上,介绍了微塑料对污泥、水、沉积物和土壤4种环境介质中氮循环的影响研究进展,并重点分析了微塑料作用下不同环境介质中氮转化过程的响应及作用机制.结果表明:当前微塑料影响氮循环的研究主要集中于污泥和土壤,对水环境和沉积物中的研究相对较少;环境介质和微塑料的聚合物类型、浓度、粒径等因素都会导致微塑料对氮循环的影响产生明显差异.进一步分析发现,微塑料主要通过影响氮转化相关的微生物、酶活性和功能基因以及改变氧通量等来影响硝化和反硝化等过程,其中,微生物受塑料添加剂释放的影响较大,微塑料自身也可能作为有机底物促进相关功能菌的生长;硝化和反硝化过程中关键酶及功能基因也会对微塑料的影响产生响应,进而影响氮循环过程.此外,微塑料能够通过改变沉积物的孔隙度增加氧通量,增强硝化作用.在后续研究中应重点关注微塑料参与氮循环的环境驱动机制,阐述其在潜流带等地球关键带中的作用路径,为全面评估微塑料对生态环境健康的影响提供支持.      

微塑料对沉积物及其上覆水体氮循环的影响研究

海洋氮循环是海洋元素循环的重要组成部分,由不同材质类型的微生物所驱动,对评估海洋生态系统的结构和功能具有重要的意义。鉴于微塑料对海洋生态环境的胁迫,有必要厘清微塑料的存在对氮转化过程的影响,以提升对当代及未来海洋氮循环的理解。据此,本研究设置不同浓度（0.5%和0.05%）、不同粒径（500目、150目和16目）和不同材质类型（PA、PE、PVC、PP、PS）的微塑料暴露实验,评估微塑料的存在是否对海洋沉积物及周边水体氮转化过程存在影响。结果表明,微塑料的存在会改变氧化还原环境,继而对微生物所驱动的氮循环过程产生影响。另外,研究发现,微塑料的材质类型、浓度和粒径分别会对氮循环过程产生不同的影响,意味着微塑料的不同性质会改变海洋沉积物及周边水体的氮循环过程。微塑料会通过影响沉积物中微生物的组成和活性进而影响上覆水中氮素分布,对水体氮循环构成挑战。后续的研究需要深入探究微塑料影响下上覆水中氮循环的同位素动力学,以提升对氮循环的理解。     

聚乳酸微塑料及其复合污染的生物毒性效应与机制研究进展

综述了聚乳酸(PLA)微塑料单一暴露以及与其他污染物复合暴露的毒性效应,并探讨了PLA微塑料对生物的毒性作用机制.PLA微塑料的摄入会影响生物体的摄食、生长、存活、繁殖和运动行为;PLA微塑料与有机物和重金属复合污染对生物体存在一定的潜在风险;PLA微塑料主要通过机械损伤、氧化应激、神经损伤及免疫损伤对生物体造成损害.未来仍需对老化或降解的PLA微塑料的毒性效应、对陆地生物的复合暴露毒性效应与机制及其对全球生态系统和生物地球化学循环的影响等方面开展探索和研究,以期为今后PLA微塑料的环境生态风险评估提供思路.     

微塑料对氮素循环相关土壤理化特性及功能微生物的影响

微塑料在土壤中的不断富集累积已对土壤氮素养分循环构成威胁.为探究聚乙烯微塑料对土壤氮素循环相关的主要理化特性、功能基因丰度和功能微生物群落结构的影响,本研究设置6个不同微塑料添加浓度（质量比）的土壤培养试验,分别为CK（未添加）、MP0.5(0.5%)、MP1(1%)、MP2(2%)、MP4(4%)和MP8(8%).结果表明：随微塑料添加浓度增加,土壤容重逐渐降低（4.62%～13.08%）,田间持水量呈先增加后降低趋势,其中MP2处理最高.土壤有机质、全碳、碳氮比、可溶性有机碳以及微生物生物量随微塑料添加逐渐升高.微塑料添加显著增加土壤微生物生物量氮（46.02%～120.70%）和硝态氮含量（42.56%～208.26%）,且MP8处理最高;降低可溶性有机氮（2.46%～15.39%）和铵态氮含量（17.36%～60.42%）,而全氮含量未发生显著变化;土壤净硝化和净氮矿化速率显著增加,但MP8处理呈明显抑制作用.微塑料添加显著增加土壤氮循环功能微生物群落多样性,改变了群落结构组成,其中固氮作用、硝化作用和反硝化作用相关微生物的相对丰度降低,同化性硝酸盐还原作用相关微生物的相对丰度...     

不同聚合物类型微塑料浸出液的表征及其对生菜种子萌发的影响

土壤中微塑料积累可影响植物种子萌发与生长,但其物质溶出对植物造成的化学风险尚不明确.为探究微塑料浸出液对生菜（Lactuca sativa L.）的毒性效应,以聚酰胺（PA）和聚乙烯（PE）制备的微塑料纤维为对象,考察不同浸提温度（25℃和50℃）下两种微塑料浸出液中可溶性有机碳、氮（DOC和DON）溶出情况及紫外光谱学参数变化,并开展种子发芽试验.结果表明,聚酰胺微塑料PA在浸出液中DOC和DON的溶出量远高于聚乙烯微塑料PE,且DOC和DON浓度随着浸提温度的提高而增加.微塑料的聚合物类型显著影响了浸出液的芳香性、疏水性组分含量及分子量等参数,而浸提温度则无显著性影响.与对照组相比,微塑料浸出液均降低了生菜种子的发芽势、发芽指数和活力指数等指标,而对株高、根长、鲜重和干重等农艺特征指标影响较小.同时,微塑料浸出液造成了部分种子胚根和子叶的发育异常.研究表明微塑料浸出的物质对生菜种子萌发过程具有一定的干扰作用,需着重考虑微塑料对土壤-植物系统产生的化学风险.     

PS和PVC微塑料对小球藻的生长抑制效应及其影响途径

近年来海洋微塑料污染已成为不可忽略的全球性环境问题.海洋中的微塑料可能被海洋动物摄入,对其造成物理损伤或生化毒性;同时与浮游植物形成团聚物,影响其生长和光合作用等,从而对海洋生态系统构成威胁.海洋小球藻(Chlorella sp.)作为食物链中的重要生产者,是污染物在食物链中富集的起点.为了解微塑料对小球藻的毒性作用及...     

土壤中塑料与微生物的相互作用及其生态效应

聚焦于土壤环境中包括微塑料在内的塑料污染,综述了微生物与土壤塑料相互作用的最新研究成果.主要内容包括:(i)土壤塑料的来源、迁移及其在土壤中长期贮存的基本特征;(ii)土壤微生物对塑料的影响;(iii)塑料污染对土壤微生物群落及酶活性、土壤动物、农作物生产以及对全球陆地生态系统功能的影响.最后,本文展望了未来相关研究的...     

淡水环境中微塑料污染及毒性效应研究进展

通过梳理淡水环境中微塑料分布现状及毒性效应研究进展,分析淡水环境中微塑料的丰度、类型、粒径、颜色、形状及毒性影响因素,并综述了微塑料对淡水环境生态系统中不同营养级生物的毒性效应。结果表明：微塑料在淡水水体中的分布受人为活动、水文特征、季节及微塑料类型等因素的影响,人类活动较多、水动力条件差及降水较多的水体中微塑料污染严重,不同密度的微塑料在环境介质中赋存存在差异;微塑料毒性与其浓度、粒径、类型密切相关,通过在生物体内富集及携带的化学污染物,影响水生生物的摄食、生长及繁殖能力。我国淡水环境微塑料丰度高于其他国家,建议逐步开展淡水环境微塑料及河流微塑料入海通量的调查及监测。目前国内外微塑料毒性效应研究对象主要关注了浮游植物、大型溞、贻贝及斑马鱼,尚不能满足微塑料生态和健康风险评价要求,亟待开展我国不同营养级本土生物的微塑料毒性效应研究,为将来淡水环境微塑料环境基准的建立提供科技支撑。

     

微塑料对小麦生长及生理生化特性的影响

土壤环境中微塑料污染及毒理学效应逐渐引起关注,但微塑料对植物的毒性及其机制研究仍十分匮乏.为探究微塑料对陆生高等植物小麦(Triticum aestivum)的毒性作用,选用100 nm和5μm聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)进行土培处理,结合水培生长试验,研究了PS-MPs对小麦生长及叶片光合色素、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性等的影响.结果表明,水培试验中,高浓度(200 mg·L-1) PS-MPs显著抑制小麦根、茎的伸长,5μm PS-MPs较100 nm PS-MPs表现出更大的毒性效应,小麦根和茎的长度抑制率分别为67. 15%和56. 45%.土培条件下,10 mg·kg-1PS-MPs对小麦生长影响最为显著.在试验含量范围内(0～100 mg·kg-1),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,提示PS-MPs对小麦叶片光合系统产生了损害,抑制其蛋白的合成;超氧化物歧化酶(SOD)活性下降,过氧化氢酶(CAT)活性先降后升,表明PS-MPs对小麦毒性的可能机制涉及氧化应激.本研究结果将为土壤环境中微塑料的生态风险评价提供依据.     

绿狐尾藻对铜绿微囊藻和羊角月牙藻的抑藻效应

分别将不同起始浓度(10~5、10~6、10~7、10~8和10~9ind.·L~(-1))的铜绿微囊藻和羊角月牙藻分组与绿狐尾藻进行共培养,连续10 d,每天测定各组铜绿微囊藻或羊角月牙藻的光密度值,用以确定绿狐尾藻对两种藻类不同浓度的生长抑制情况.结果表明,2. 5 g·(200 m L)~(-1)的绿狐尾藻对起始浓度为10~7ind.·L~(-1)和10~8ind.·L~(-1)的铜绿微囊藻具有明显的抑制作用;而对实验所设的所有起始浓度的羊角月牙藻生长均没有显著的抑制作用.并且,采用溶剂浸提与气相色谱-质谱联用(GC-MS)测定的方法,分析了绿狐尾藻粉末浸提液和绿狐尾藻生长液中可能存在的化感物质,通过分析,确定棕榈酸是绿狐尾藻分泌的化感物质之一,并且发现了3种可能是绿狐尾藻分泌的新型化感物质:3-乙基-3-甲基庚烷、磷酸三乙酯和酞酸二丁酯.     

凤眼莲对富营养化水体中氨氧化和反硝化微生物的影响

凤眼莲近年来广泛应用于富营养化淡水湖泊的生态修复中,但其对微生物的相互作用和对水体中氮素的去除鲜有报道.本研究在氮素去除过程中对比凤眼莲和细菌的相对重要性,并且检测浮游植物对硝化细菌和反硝化细菌相对丰度及多样性的影响.水体中氮素的去除率以及硝化和反硝化作用的潜在能力使用定量聚合酶链式反应(qPCRs)对硝化作用基因amoA和反硝化作用基因nirS/K进行检测,从微观角度研究富营养化水体中是否会受到凤眼莲存在的影响.结果表明,TN的减少在70d的实验周期中所有处理组表现较为一致,但凤眼莲存在的实验组在24h内TN和NH_4~+-N的去除上有显著的降低,并且amoA的丰度有所增加,nirS/K的丰度有所降低.T-RFLP结果表明亚硝化单胞菌在氨氧化微生物中占优势.凤眼莲的种植可以实现富营养化水体中NH_4~+-N的快速有效减少,且微生物的相互作用可以充分利用到淡水生态系统的修复中.     

光倒刺鲃、白鲢协同投放抑制丝状藻(水绵)藻华围隔研究

为探究高效与安全抑制丝状藻藻华的方法,利用光倒刺鲃(Spinibarbus hollandi)、白鲢(Hypophthalmichthys molitrix)的食性特点,研究了不同密度(低密度(L)40 g·m-3、高密度(H)80 g·m-3)与不同投放比例(光倒刺鲃∶白鲢=3∶1、1∶1、1∶3)协同作用下,对围隔内水体丝状藻水绵(Spirogyra sp.)的抑制效果,以及对水生植物和水质的影响.结果表明,光倒刺鲃可以显著摄食丝状藻水绵,且在低密度、高比例(3∶1)时,即对丝状藻的生长具有明显抑制作用.高密度(80 g·m-3)投放光倒刺鲃、白鲢,无论比例如何,都会引起水体水质下降,引起轻微富营养化,并导致浮游藻类生物量上升,不适用于本试验水体.在本试验条件下,高密度(80 g·m-3)投放条件下,白鲢可以抑制浮游生物总量,H(1∶3)、H(1∶1)组中,呈现藻类小型化的趋势;而在低密度(40 g·m-3)投放条件下,未发现浮游藻类有小型化趋势.本试验L(3∶1)组,即光倒刺鲃30 g·m-3、白鲢10 g·m-3,可以有效控制试验水体丝状藻水绵滋生,且能够兼顾改善水质.     

甲烷丝菌混养促进螺旋藻自发酵产氢

采用只消耗乙酸盐而不消耗氢气的甲烷丝菌与螺旋藻混合培养,以提高螺旋藻利用自身多糖在自身氢酶作用下暗发酵产氢量.通过培养基调控提高了螺旋藻生长富集的总糖产量,当Na Cl浓度由239 mmol·L~(-1)增加到739 mmol·L~(-1),螺旋藻总糖产量提高了107.7%,达到0.54g·L~(-1).螺旋藻在黑暗厌氧条件下加入甲烷丝菌混养后的自发酵产氢量提高了33.8%,达到43.8 m L·g-1;液相主要代谢产物乙酸盐则提高了69.2%,达到1639.1μmol·g-1.同时,螺旋藻加入甲烷丝菌混养后自发酵过程的能量转换效率由6.7%提高到11.6%.甲烷丝菌通过消耗乙酸盐促进了螺旋藻自发酵产氢的乙酸途径反应正向进行,从而提高了氢气产量和能量转换效率.     

Augmentation of tribenuron methyl removal from polluted soil with Bacillus sp. strain BS2 and indigenous earthworms

Tribenuron methyl (TBM) is a member of the sulfonylurea herbicide family and is widely used worldwide. In this study, TBM-degrading bacteria were enriched with TBM as potential carbon, nitrogen or sulfur source, and 44 bacterial isolates were obtained. These isolates were phylogenetically diverse, and were grouped into 25 operational taxonomic units and 14 currently known genera. Three representatives, Bacillus sp. strain BS2, Microbacterium sp. strain BS3, and Cellulosimicrobium sp. strain BS11, were selected, and their growth and TBM removal from culture broth were investigated. In addition, indigenous earthworms were collected and applied to augment TBM degradation in lab-scale soil column experiments. Results demonstrated that Bacillus sp. strain BS2 and earthworms significantly increased TBM removal during soil column experiments.     

金鱼藻与环棱螺对铜绿微囊藻生长及光合活性的抑制作用

沉水植物和螺类是生物防治有害水华的重要手段,然而目前关于这两者对有害蓝藻的协同抑制效率和作用机制尚不清楚.本研究利用沉水植物金鱼藻与铜锈环棱螺在实验室内探究草-螺组合系统对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）生长的抑制效果.结果表明,金鱼藻组、环棱螺组及草-螺组合系统均显著降低了体系内蓝藻Chl-a浓度、总Chl-a浓度和铜绿微囊藻密度,与初始相比,蓝藻活体Chl-a浓度分别减少99.24%、100.00%和98.61%,铜绿微囊藻密度分别减少98.64%、86.44%和97.71%.草-螺共培养和金鱼藻单独培养均可以显著抑制铜绿微囊藻生长,效果相似,而环棱螺单独培养可以使蓝藻Chl-a浓度和光曲线参数值降为零,同时使得微囊藻细胞全部失活.金鱼藻与环棱螺都可以降低铜绿微囊藻光合活性,草-螺共培养系统可以最大程度降低藻类整体的生长潜能.研究发现,草-螺耦合系统对铜绿微囊藻的总体抑制效率略低于两者单独抑制效率,表明金鱼藻和环棱螺在此过程中存在微弱的拮抗作用,但由于草-螺耦合系统的抑制成效同样显著,且抑制途径更多样,同时能更好地维持水体营养盐平衡.在实践过程中建议加强沉...     

共培养体系中石莼和江蓠对赤潮异弯藻生长的影响

研究共培养体系中2种大型海藻石莼(Ulva pertusa)和江蓠(Gracilaria lemaneiformis)的鲜组织和培养液滤液对赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)生长的影响.结果发现:①石莼和江蓠均能明显影响赤潮异弯藻生长,鲜组织的作用更明显,能在短时间内完全灭杀共培养的赤潮异弯藻;石莼对微藻的影响强于江蓠的作用.②除菌作用和补充充足的碳酸盐不能消除或缓解石莼和江蓠对赤潮异弯藻生长的影响,说明细菌和碳限制不是导致大藻对微藻作用的原因.③对共培养体系中硝酸盐和磷酸盐的跟踪测定结果显示,营养盐限制不是造成石莼对赤潮异弯藻影响的原因,但却在江蓠的作用中起重要作用.当向江蓠体系中补充f/2营养盐后发现,充足的营养盐能够减轻但不能完全消除江蓠对赤潮异弯藻生长的影响.另一方面,石莼的起始浓度与其对赤潮异弯藻的生长影响之间存在明显的相关性,石莼的起始浓度越高,对赤潮异弯藻的影响越明显.④实验初步说明,石莼可能通过相生相克作用影响共培养体系中赤潮异弯藻的生长,而相生相克和营养竞争的共同作用是导致江蓠作用的根本原因.     

芦竹和木本植物间种修复重金属污染土壤

通过温室盆栽实验,研究草本植物芦竹与木本植物构树、桑树间种修复重金属污染土壤的潜力.结果表明,重金属污染土壤上芦竹与构树、桑树间种有利于植物的生长,提高植物对污染土壤中重金属的富集能力,并有效改善土壤酶活性.重金属污染土壤上单种芦竹、构树和桑树的叶片光合色素含量随着修复时间的延长呈下降趋势,而芦竹与构树、桑树间种修复270 d后,构树叶片叶绿素a和类胡萝卜素含量,桑树叶片叶绿素b和类胡萝卜素含量均与修复初期(90 d)相比无显著差异;桑树叶片叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素含量较单种桑树分别显著(P 0. 05)提高99. 1%、177. 1%和119. 9%,且整株生物量显著(P 0. 05)提高26. 1%.芦竹-构树间种下植物地上部分Pb和Zn总量较单种芦竹分别显著(P 0. 05)提高171%和124%;芦竹-桑树间种下植物地上部分As和Pb总量较单种桑树和芦竹修复分别显著(P 0. 05)提高150%和76. 5%.芦竹与构树、桑树间种修复270 d后,污染土壤中As、Cd、Pb和Zn的赋存形态无明显变化,而且土壤脲酶、酸性磷酸酶和总磷酸酶活性明显优于部分单一植物修复.上述结果表明,芦竹与构树、桑树间种可有效用于重金属污染土壤修复,还可改善污染土壤的环境质量.     

长期施用氮肥对土壤细菌硝化基因多样性及组成的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站水稻长期定位试验为平台(28°55′49.8″N,111°26′25.7″E),运用PCR、克隆文库构建等分子生物学技术研究长期单施氮肥(尿素)对亚硝化基因(amoA和hao)多样性及其群落结构的影响.结果表明,长期单施氮肥使amoA基因多样性降低(Shannon指数减少了11%),而ha...     

豆瓣菜有机提取物对铜绿微囊藻的抑制及成分初步分离

探讨了豆瓣菜(Nasturtium officinale)有机提取物对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)生长的影响,从总氮、总磷、叶绿素a含量、类胡萝卜素含量、可溶性蛋白含量、多糖含量、藻胆蛋白含量、抗氧化系酶(超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶)活性、丙二醛(MDA)含量、谷氨酰胺合成酶(GS)活性和酸性磷酸酶(ACP)活性的变化研究了其抑制机理,随后比较了不同分离相的抑藻活性.结果表明,豆瓣菜有机提取物对铜绿微囊藻具有较强的抑制效应,2 g·L~(-1)组在第10 d的抑藻率为67.62%;排出了营养的影响,认为抑制作用主要是由化感作用引起的.培养过程中,藻体中叶绿素a含量、类胡萝卜素含量、可溶性蛋白含量、多糖含量和藻胆蛋白含量下降,藻体中SOD、CAT、POD、GS和ACP活性和MDA含量均呈先升高后降低的趋势.豆瓣菜有机提取物可显著抑制铜绿微囊藻的生长,其中存在的弱极性物质可能是其抑制藻类生长的主要原因.