关键词：
砷酸盐
微塑料
金属有机框架
毒性调控
摘要：
在我国砷与微塑料易在农田中共存,但长期以来研究者们只关注了砷或微塑料单一污染对农作物的危害,对于砷和微塑料复合污染的研究较少。鉴于此,该研究选取了砷富集能力较强的生菜作为研究对象,采用水培实验开展了砷酸盐与微塑料复合污染植物毒性作用及调控研究。研究采用透射电镜和激光共聚焦扫描显微镜分析技术等,探明了微塑料存在条件下对生菜砷酸盐吸收、生菜的生长发育、生理生化、氨基酸及营养品质的等造成的影响,并结合代谢组学分析技术,阐明相关分子机制。进一步探讨了,微塑料存在对砷生菜毒性调控作用的影响作用,并筛选出了抗干扰能力较强的砷污染有效调控措施。为复杂农业环境中砷污染治理提供理论和方法支持。具体研究结果如下:(1)砷酸盐与微塑料通过微塑料表面-OH官能团发生吸附反应。PS可以从培养介质进入生菜的根部,而水培溶液中的砷酸盐会增加PS表面的负电荷,从而导致更多的微塑料进入生菜,同时使细胞壁扭曲变形,功能衰退,使更多的小粒径PS进入细胞。虽然PS小球没有进入到生菜可食用部分,但是也使得生菜的营养品质降低。(2)微塑料会增加植物砷的含量,砷酸盐与微塑料复合处理组使得植物体内氧化应激反应增强。相比于单独砷酸盐胁迫,砷酸盐和微塑料的复合污染会使得生菜叶片和根中的砷含量平均升高18.3%。相比CK,复合污染使得根长和生物量更低,分别平均降低11.06%、8.72%。相比于单独砷酸盐处理组,微塑料的添加会增加MDA、GSH、CAT的产生,分别增加了4.1%、5.3%、12.7%,降低SOD和POD的产生,分别降低了18.7%和22.1%,以通过植物自身的氧化还原系统进行防御。(3)砷酸盐与微塑料复合处理组使得植物体内营养元素及氨基酸发生变化。在营养元素中钙和锌受胁迫影响最为明显。钙可提高植物抗逆性,在各处理组中砷浓度均与钙浓度呈正相关。相比于单独砷酸盐处理组,复合污染通过对植物胁迫,使得植物产生应激反应机制增加了钙元素的吸收,平均增加了19.2%。生菜通过对体内组氨酸含量的代谢调节,可以与重金属离子产生螯合作用能够降低细胞质内重金属离子的浓度,从而降低了植物体内重金属的运输效率提高了植物对重金属的抗性。(4)砷酸盐与微塑料复合处理组显著影响植物体内代谢通路。显著上调的代谢物有半乳糖代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、乙醛酸和二羧酸代谢,还有甘油磷脂代谢途径也有所上调。复合污染处理组下调的代谢物有S代谢、TCA循环、丙酮酸代谢,磷酸肌醇代谢途径。酪氨酸作为蛋白质合成前体可以影响TCA循环,丙酮酸代谢下调意味着用于TCA循环的丙酮酸下降,导致植物体碳水化合物的代谢下降。相比CK组,复合处理组TCA循环显著下调,使得生菜的生物量、叶绿素等减少。相比CK组,肌醇相关代谢在复合组中显示下调,肌醇及其衍生物参与磷脂酰肌醇信号通路,参与细胞壁生物合成、生长素储存和运输、应激相关分子的生成等,由于其下调,复合处理组中植物生长指标显著下降。(5)在微塑料存在条件下,金属有机框架8可以有效调控植物砷毒性。海泡石、金属有机框架8和壳聚糖在本实验条件下对砷最大吸附量分别为9.16 mg/g、58.5 mg/g和12.2 mg/g。在单独添加海泡石、金属有机框架8、壳聚糖的处理组中都是复合处理组中的砷含量最高,但是在添加微塑料前后,三组材料的表现各有不同,在添加了海泡石的处理组,单独砷处理组相较于复合处理组总砷少了8.9%。海泡石在单独砷处理组中砷酸盐与微塑料复合污染处理组中,与不加调控材料时的砷浓度无显著差异,微塑料的添加没有对海泡石的吸附产生较大的影响。在添加了金属有机框架8的处理中,单独砷处理组相较于复合处理组砷浓度几乎相似,且浓度相较与其他两个材料,叶片中的砷含量明显降低,金属有机框架8可以有效的对砷进行调控,且微塑料的存在几乎没有对其砷的吸附造成影响。在添加了壳聚糖的处理中,在单独添加砷胁迫的处理组中与海泡石效果相似,但是在添加了微塑料之后复合处理组砷的浓度达到了三组中的最高,而且相较于单独砷处理组,复合处理组总砷增加了14.7%。壳聚糖在添加微塑料以后反而使植物体内的砷浓度增加。通过本实验的筛选金属有机框架8可以有效的对砷进行调控,且微塑料的存在几乎没有对其砷的吸附造成影响。为未来使用金属有机框架8作为砷与微塑料复合污染中砷调控方法提供理论参考。
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