关键词:
微塑料
镉
土壤性质
微生物群落
摘要:
微塑料作为比表面积大、难降解且易吸附的新型环境污染物广泛分布于土壤环境中,其与重金属共同存在于土壤中势必会给土壤-植物系统带来新的环境风险。目前对于农田土壤中低密度聚乙烯微塑料(Low density polyethylene,LDPE)与镉(cadmium,Cd)污染之间的相互作用对土壤性质和植物毒性的影响机制尚不明晰。针对上述情况,本研究以小油菜为供试植物,以LDPE和Cd为供试材料,微塑料和镉分别设置5个浓度梯度(0%、0.1%、1%、3%和5%,w/w)和3个浓度梯度(0、0.5和2.5 mg·kg),通过盆栽试验,探究不同浓度的微塑料与镉单一、复合污染对土壤性质、土壤微生物群落结构和小油菜(Brassica chinensis L.)生长的影响,得出以下结论:
(1)单一LDPE处理对土壤p H无显著影响,复合处理均降低了土壤p H值,其中1%LDPE+0.5 mg·kgCd复合处理的土壤p H呈最小值,为7.24。5%LDPE、2.5 mg·kgCd单一处理均能使土壤电导率(EC)显著升高41.8%和78.0%。单一LDPE处理及与Cd复合处理均使土壤阳离子交换量(CEC)降低。与对照组相比,单一LDPE处理增加了土壤有机碳(SOC)含量,且5%LDPE能土壤有机碳含量显著增加了78.5%,LDPE与Cd复合处理能在一定程度上减弱单一Cd污染对土壤有机碳的不利影响。与对照组相比,3%LDPE能引起全氮(TN)和碱解氮含量显著增加17.5%和86.1%,而LDPE与0.5 mg·kgCd复合处理均降低了土壤全氮(TN)和碱解氮含量。LDPE与2.5 mg·kgCd复合处理使得土壤可提取态Cd含量升高了1.4%-12.5%。
(2)单一LDPE处理下,土壤脲酶、过氧化氢酶活性随着LDPE质量分数增加先升后降,在3%LDPE处理下土壤脲酶和过氧化氢酶活性分别增加了40.0%、10.0%,除0.1%外均能抑制酸性磷酸酶活性。LDPE与Cd复合污染增加了土壤酸性磷酸酶活性,对土壤过氧化氢酶影响不大。此外,单一LDPE处理及与Cd复合处理均导致土壤样品中的操作分类单元(OTUs)数量减少,且5%LDPE+2.5 mg·kgCd复合处理中OTUs和特有细菌属数量最少。随着LDPE浓度的升高,土壤微生物Alpha多样性指数(Chao 1、ACE和Shannon指数)逐渐降低,但无显著影响,其中5%LDPE与Cd复合污染处理组中的土壤微生物群落多样性最低。在试验各处理中土壤细菌群落在门、目水平上的组成具有较高的相似性,占比例最大的优势菌门和优势菌目分别为变形菌门、鞘脂单胞菌目。
(3)单一LDPE处理对小油菜株高、生物量和叶绿素含量均无显著影响,但LDPE与2.5 mg·kgCd复合处理在一定程度上缓解了单一Cd污染对小油菜株高、生物量、叶绿素含量的不利影响。0.1%LDPE能显著促进小油菜根系生长,增加了13.8%,但复合处理无显著影响;试验处理均引起了小油菜机体的氧化损伤,5%LDPE处理能使小油菜叶片中SOD酶活性和MDA含量增加118%和28.2%,同时MDA含量的变化与Cd存在密切相关。单一LDPE处理对油菜叶片过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶活性(CAT)无显著影响。LDPE与Cd复合污染增加了小油菜叶片的SOC含量,其中1%LDPE+0.5 mg·kgCd复合污染使SOC含量升高了31.4%,而5%LDPE+2.5 mg·kgCd复合污染使小油菜叶片N含量降低至20.3 g·kg。添加LDPE能使生长在低浓度(0.5 mg·kg)镉污染土壤中的油菜机体Cd的生物富集量降低,也能避免Cd从地下部分转运至地上部分,而仅在1%和3%LDPE使小油菜机体Cd的转运系数升高,地上部分Cd含量也分别增加了23.8%和14.2%。