張海韻,李雙喜*,鄭 婷,張翰林,鄭憲清,呂衛(wèi)光**( 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南沿海農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 040; 上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 045; 上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海 006)

全球塑料產(chǎn)量逐年遞增,但目前僅9%的塑料被回收利用,約79%的塑料被填埋或遺棄在自然環(huán)境中[ 1]。 這些塑料制品在生產(chǎn)、使用和處置過程中,經(jīng)紫外線照射、機(jī)械磨損等作用,會(huì)逐步形成粒徑較小的塑料顆粒[ 2]。 2004 年,“微塑料”在《Science》雜志上被首次提出,即粒徑小于5 mm 的塑料碎屑和顆粒[ 3]。 隨后,有研究者在環(huán)境中檢測(cè)到粒徑更小的塑料顆粒,將粒徑小于1 μm 的塑料顆粒定義為納米塑料[ 4],也有學(xué)者參考納米材料的定義,將粒徑小于100 nm 的塑料顆粒稱為納米塑料[ 5]。 納米塑料相較于微米級(jí)塑料具有更大的比表面積和更強(qiáng)的吸附能力[ 6],且由于粒徑較小,可能更易進(jìn)入生物體中,甚至沿著食物鏈傳遞至高營養(yǎng)級(jí)生物,具有較大的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

微納米塑料作為一種新型環(huán)境污染物,其生物效應(yīng)和健康風(fēng)險(xiǎn)逐漸受到關(guān)注。 目前,有較多的研究關(guān)注微納米塑料對(duì)海洋和淡水水生生物的影響[ 7-9],而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究在近幾年才引起關(guān)注,并陸續(xù)開展[ 10],但對(duì)陸生生物的毒性效應(yīng)研究仍然有限,尤其是其對(duì)植物毒性的認(rèn)識(shí)十分匱乏。 有研究報(bào)道,陸地中存在的微塑料豐度可能是海洋的4—23 倍[ 11],農(nóng)田土壤中每年輸入的微塑料遠(yuǎn)超于海洋中的輸入量[ 12]。 一些塑料污染嚴(yán)重的地區(qū),土壤中的微塑料含量可能高達(dá)60%[ 13-14]。 因此,土壤生態(tài)系統(tǒng)中微納米塑料的生物效應(yīng)亟待重視和研究。

迄今,有關(guān)微納米塑料對(duì)陸生植物的影響研究較為有限,研究結(jié)論不盡一致。 本文對(duì)微納米塑料在植物體內(nèi)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)、微納米塑料對(duì)植物不同生物學(xué)水平的毒性效應(yīng),以及微納米塑料與其他污染物對(duì)植物的聯(lián)合毒性效應(yīng)進(jìn)行綜述,以期為陸地生態(tài)系統(tǒng)中微納米塑料的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究提供參考。

1 微納米塑料的植物吸收和分布

微納米塑料可在自然界中長(zhǎng)期存留,由于其粒徑較小,特別容易進(jìn)入生物體內(nèi),并可能沿著食物鏈傳遞,從而對(duì)高營養(yǎng)級(jí)生物甚至人類健康產(chǎn)生不利影響[ 15-17]。 因此,植物對(duì)微納米塑料的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及分布規(guī)律對(duì)評(píng)估其植物毒性及食物鏈傳遞風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。 目前,相關(guān)研究涉及的植物有水稻、小麥、生菜、蠶豆、水芹、擬南芥等,主要發(fā)現(xiàn)微納米塑料可通過根部吸收并積累在植物體內(nèi),微納米塑料的粒徑和表面電荷會(huì)影響其在植物體內(nèi)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律。

微納米塑料的粒徑是影響其是否能進(jìn)入植物組織和細(xì)胞的重要因素。 荷蘭萊頓大學(xué)Bosker 等[ 18]研究發(fā)現(xiàn),粒徑為4.8 μm 的微塑料(107個(gè)∕mL)可在水芹種衣殼的孔隙中積累,形成物理性阻隔。 與微米級(jí)塑料顆粒相比,納米級(jí)塑料更易進(jìn)入植物組織和細(xì)胞。 李連禎等[ 19]將生菜幼苗暴露于含有粒徑為200 nm 和1 μm 聚苯乙烯(PS)微球的營養(yǎng)液中,通過激光掃描共聚焦熒光顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)生菜根部吸收和富集了大量粒徑為200 nm 的PS 微球,并從根部遷移至地上部,繼而積累和分布在可被直接食用的莖葉中。 Bandmann 等[ 20]通過對(duì)煙草BY-2 細(xì)胞的培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn),納米級(jí)PS 微球可通過細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)入煙草細(xì)胞,其中粒徑為20 nm 和40 nm 的PS 微球被細(xì)胞攝取,而粒徑≥100 nm 的PS微球卻被排除在外。 李瑞杰等[ 21]研究發(fā)現(xiàn),亞微米級(jí)的PS 微球(粒徑200 nm)能夠進(jìn)入到砂培小麥幼苗根部,并分布在其外皮層質(zhì)外體空間及維管組織中,且根部吸收的PS 可通過維管組織運(yùn)輸?shù)降厣喜康那o部維管束和葉片的脈管系統(tǒng)中。 Zhang 等[ 22]通過掃描電子顯微鏡在水稻種子外表皮、根及芽中觀察到了粒徑為200 nm 的PS 塑料顆粒。 Jiang 等[ 23]觀察到大量粒徑為100 nm 的PS 微球在蠶豆根尖積累。 Zhang等[ 24]首次通過無損實(shí)時(shí)的雙光子激發(fā)和時(shí)間分辨光學(xué)成像技術(shù)揭示了聚苯乙烯馬來酸酐納米塑料(粒徑12 nm±4.5 nm)在植物九里香中的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程,發(fā)現(xiàn)該納米塑料在植物木質(zhì)化表皮中沿細(xì)胞間壁途徑吸收和傳輸,并沿植物莖不同位置表現(xiàn)出相似的累積動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

此外,微納米塑料的表面電荷特性也會(huì)影響植物對(duì)其吸收途徑及在不同組織部位的累積分布規(guī)律。如Sun 等[ 25]研究了擬南芥幼苗對(duì)不同表面電荷的納米級(jí)PS 塑料的吸收及其分布,發(fā)現(xiàn)相較于帶正電的同等粒徑塑料顆粒,帶負(fù)電的塑料顆粒更易被植物根部吸收。 具體來說,他們將擬南芥幼苗移栽至含有紅色熒光標(biāo)記的羧基化納米聚苯乙烯塑料(PS-COOH,粒徑200 nm,表面帶負(fù)電荷)的培養(yǎng)液中,7 d 后在擬南芥根部發(fā)現(xiàn)了紅色熒光信號(hào),且大量集中在成熟區(qū)的中柱中,表明帶負(fù)電的納米塑料可能通過質(zhì)外體途徑被成熟區(qū)根毛吸收,隨后進(jìn)入到中柱。 相比之下,表面帶正電荷的綠色熒光標(biāo)記PS-NH2-F(粒徑200 nm)僅有少量聚集在根表皮和根毛中,幾乎沒有進(jìn)入到根組織中。 這可能是由于PS-NH2-F 促使擬南芥根部產(chǎn)生大量分泌物,且誘導(dǎo)了植物中活性氧的累積,抑制了幼苗生長(zhǎng)發(fā)育,最終抑制了根部對(duì)其吸收。 因此,帶負(fù)電的納米塑料更易滲透到根表皮的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜中,并伴隨一系列復(fù)雜的過程進(jìn)入到植物維管束(木質(zhì)部)中,而后移動(dòng)到中柱,最終轉(zhuǎn)移到葉片及果實(shí)。

總的來說,微納米塑料在植物體內(nèi)的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理還不夠清晰,尤其是針對(duì)微納米塑料從根部至地上部(特別是可食部位)傳輸機(jī)理的研究還較為匱乏;除了粒徑、表面電荷、濃度等因子,微納米塑料的其他性質(zhì)(如成分、表面官能團(tuán)、形狀等)如何影響其在植物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分布仍有待進(jìn)一步明晰。

2 微納米塑料對(duì)植物不同生物學(xué)水平的毒性

微納米塑料可對(duì)植物產(chǎn)生多種毒性作用,目前有關(guān)微納米塑料對(duì)植物的毒性研究主要集中在個(gè)體和組織學(xué)水平,如種子發(fā)芽狀況(發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等)和植株生理生化特征(生物量、株高、葉面積、根冠比、葉綠素含量、光合作用、氧化損傷等),少數(shù)學(xué)者從細(xì)胞、亞細(xì)胞和分子水平研究微納米塑料對(duì)植物的毒性。

2.1 植物個(gè)體和組織學(xué)水平毒性效應(yīng)

2.1.1 種子萌發(fā)期

種子萌發(fā)是植物整個(gè)生命周期中的關(guān)鍵時(shí)期,也是對(duì)外界環(huán)境因子最敏感的時(shí)期之一。 發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)等是衡量種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo),活力指數(shù)是反映種子品質(zhì)的重要參數(shù)[ 4,26],開展種子發(fā)芽試驗(yàn)可以初步快速評(píng)估污染物對(duì)植物的毒性效應(yīng)[ 27]。 研究表明,不同類型微納米塑料對(duì)種子發(fā)芽的影響不同。 張彥等[ 28]研究發(fā)現(xiàn),3 種不同類型的微塑料(聚丙烯、高密度聚乙烯、聚乳酸生物可降解塑料)均降低了小麥種子的平均發(fā)芽水平,抑制率表現(xiàn)為高密度聚乙烯＞聚乳酸生物可降解塑料＞聚丙烯,且前兩者對(duì)小麥種子的發(fā)芽影響顯著高于聚丙烯。 除了聚合物成分,微塑料的粒徑也是影響種子萌發(fā)的重要因素。 Bosker 等[ 18]發(fā)現(xiàn)不同粒徑(50 nm、500 nm、4.8 μm)的微塑料均顯著抑制了水芹種子的萌發(fā),且隨著粒徑的增加,抑制作用逐漸增強(qiáng)。 微納米塑料對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響并非隨濃度呈單一趨勢(shì)變化。王澤正等[ 29]研究發(fā)現(xiàn),聚苯乙烯微塑料和聚對(duì)苯二甲酸類微塑料在低質(zhì)量濃度(100 mg∕L)時(shí)可促進(jìn)水稻種子發(fā)芽,中質(zhì)量濃度(500 mg∕L)時(shí)抑制發(fā)芽,高質(zhì)量濃度( ＞1 000 mg∕L)時(shí)抑制作用減弱,發(fā)芽率與對(duì)照組相當(dāng)。 有學(xué)者同時(shí)研究了粒徑和濃度對(duì)種子萌發(fā)的影響。 張彥等[ 28]發(fā)現(xiàn),中等粒徑(1 000 μm vs 150 μm 和4 000 μm)和中等添加量(0.5 g∕kg vs 0.1 g∕kg 和1 g∕kg)的微塑料對(duì)小麥種子發(fā)芽的抑制作用最強(qiáng)。 劉鎣鎣等[ 30]研究了聚乙烯微塑料對(duì)綠豆發(fā)芽的影響,發(fā)現(xiàn)僅最小粒徑(23—38 μm vs 106—150 μm 和550—880 μm)和較高添加量(10 mg∕g、100 mg∕g vs 0.1 和1 mg∕g)條件下的聚乙烯微塑料會(huì)抑制綠豆發(fā)芽期的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)及鮮重。 吳佳妮等[ 31]研究了不同粒徑(20 nm、100 nm)和不同質(zhì)量濃度(50—1 000 mg∕L)聚苯乙烯納米塑料(PSNPs)對(duì)大豆種子萌發(fā)的影響,發(fā)現(xiàn)兩種粒徑的PSNPs 均可抑制大豆種子的發(fā)芽率,粒徑為20 nm 的PSNPs 對(duì)根尖數(shù)量無顯著影響,而粒徑為100 nm 的PSNPs 則表現(xiàn)出促進(jìn)作用;兩種粒徑PSNPs 對(duì)根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)的影響均呈低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的規(guī)律。

2.1.2 植物生長(zhǎng)期

不同種類、來源和形狀的微納米塑料對(duì)植物生長(zhǎng)的影響不同。 Kalcikova 等[ 32]從化妝品中分離出微米級(jí)聚乙烯微珠(30—600 μm),發(fā)現(xiàn)其顯著干擾了浮萍根的生長(zhǎng),尖銳的顆粒降低了根部細(xì)胞活力,而表面較為圓潤(rùn)的微珠則影響較小。 然而,Dovidat 等[ 33]研究發(fā)現(xiàn),粒徑為50 nm 和500 nm 的聚苯乙烯顆粒主要吸附在紫萍根的外表面,對(duì)其生長(zhǎng)和葉綠素含量沒有顯著影響。 De Souza Machado 等[ 34]觀察到6 種不同種類的微塑料顯著改變了洋蔥的生物量、根系性狀和組織元素組成,尤其是聚酯纖維和聚酰胺類塑料顆粒的影響最為顯著,可能是由于它們改變了土壤結(jié)構(gòu)和水分動(dòng)態(tài)規(guī)律,從而影響作物生長(zhǎng)。 微納米塑料的濃度也是影響植物生長(zhǎng)的重要因素。 安菁等[ 35]模擬研究了土壤中不同殘留濃度的聚氯乙烯微塑料(mPVC)對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)、根系活力和抗氧化性的影響,結(jié)果表明:大豆出苗后第7 天和第14 天,中高添加量(1.62 g∕kg、2.70 g∕kg)mPVC 殘留顯著降低了大豆幼苗的葉面積、株高和根鮮重,高添加量(2.70 g∕kg)mPVC 顯著降低了大豆的根系活力。 此外,當(dāng)土壤中mPVC 殘留量較低時(shí),大豆可通過激活自身抗氧化系統(tǒng)抵御mPVC 脅迫,而當(dāng)殘留量較高時(shí),大豆葉面積、根系活力等生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到較大影響。

通常情況下,與較大粒徑和較低濃度微塑料相比,較小粒徑和較高濃度的微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響較大。 如Jiang 等[ 23]研究了粒徑為5 μm 和100 nm 的聚苯乙烯塑料(10 mg∕L、50 mg∕L、100 mg∕L)對(duì)蠶豆的氧化應(yīng)激損傷,發(fā)現(xiàn)只有納米級(jí)聚苯乙烯塑料在最高質(zhì)量濃度(100 mg∕L)時(shí)才會(huì)顯著增加蠶豆根部的丙二醛含量。 劉鎣鎣等[ 30]發(fā)現(xiàn)較小粒徑(23—38 μm)的聚乙烯微塑料在較高添加量(100 mg∕g)時(shí)對(duì)綠豆幼苗的生長(zhǎng)和水分吸收表現(xiàn)出顯著抑制作用,這是由于小粒徑塑料更易吸附在根部,抑制水分吸收,同時(shí)影響綠豆的呼吸作用,從而影響幼苗生長(zhǎng)。 然而,也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)同等濃度下微米級(jí)塑料的毒性比納米級(jí)塑料更強(qiáng)。 如廖苑辰等[ 36]分析了納米級(jí)(粒徑100 nm)和微米級(jí)(粒徑5 μm)聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)在水培條件下對(duì)小麥根和莖生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)兩種粒徑的PS-MPs 在較高質(zhì)量濃度(200 mg∕L)下顯著抑制了小麥根和莖的伸長(zhǎng),其中粒徑為5 μm 的PS-MPs 表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制作用。

2.2 植物細(xì)胞、亞細(xì)胞及分子水平毒性效應(yīng)

2.2.1 細(xì)胞和亞細(xì)胞水平毒性

有研究發(fā)現(xiàn),微納米塑料可能在較低濃度時(shí)就會(huì)在植物細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上產(chǎn)生毒性效應(yīng)。 Giorgetti等[ 37]探究了聚苯乙烯(PS)納米塑料(粒徑50 nm)在3 種質(zhì)量濃度(0.01 g∕L、0.1 g∕L 和1 g∕L)下對(duì)洋蔥的細(xì)胞及亞細(xì)胞水平的毒性效應(yīng),發(fā)現(xiàn)其在0.1 g∕L 時(shí)降低了根分生細(xì)胞的有絲分裂指數(shù),在0.01 g∕L 時(shí)會(huì)導(dǎo)致根分生組織的亞細(xì)胞毒性效應(yīng)(細(xì)胞遺傳學(xué)異常和微核)。 具體來說,納米PS 處理在有絲分裂的不同階段誘導(dǎo)了不同的遺傳學(xué)異常,如中期觀察到染色體滯后和黏性染色體現(xiàn)象,末期觀察到黏性染色體、滯后染色體和橋染色體。 這些細(xì)胞學(xué)異常可能是紡錘體功能異常導(dǎo)致的,也可能是納米PS 處理引起了碎片化效應(yīng)。 Gopinath 等[ 38]探究了粒徑為100 nm 的原始PS 微球及從面部磨砂膏中分離出的PS 微球?qū)ρ笫[根尖細(xì)胞毒性的影響,發(fā)現(xiàn)處理3 h 后,10 μg∕mL 納米PS 使有絲分裂指數(shù)降低了50%,并引起了25%—30%的染色體異常;在25 μg∕mL 時(shí)有絲分裂指數(shù)降低至25%以下,并導(dǎo)致35%—50%染色體異常。 此外,兩種PS 微球均引起了碎片化效應(yīng)(粉碎的細(xì)胞核、環(huán)狀染色體、染色體片段等)和非碎片化效應(yīng)(有絲分裂、多倍體、游走染色體等)。

2.2.2 分子水平毒性

隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的改進(jìn)、數(shù)據(jù)庫的更新以及生物信息學(xué)的發(fā)展,基于轉(zhuǎn)錄組、代謝組等快速、準(zhǔn)確和高通量的組學(xué)分析技術(shù)得到快速發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于動(dòng)物、植物和微生物等諸多研究領(lǐng)域[ 39]。 轉(zhuǎn)錄組學(xué)是對(duì)特定條件下植物細(xì)胞中所有轉(zhuǎn)錄本的RNA 進(jìn)行測(cè)序,分析基因差異表達(dá)規(guī)律,揭示復(fù)雜的生物學(xué)代謝通路和性狀調(diào)控規(guī)律的科學(xué)[ 40]。 植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中,若遭受非生物脅迫(低溫、干旱、污染等)和生物脅迫(蟲害、病毒、細(xì)菌感染等),都可能引起轉(zhuǎn)錄水平的變化。 目前,僅有一篇關(guān)于微納米塑料對(duì)植物轉(zhuǎn)錄組的影響研究。 Zhang 等[ 22]將水稻種子暴露于含1 000 mg∕L 聚苯乙烯微塑料(PS-MPs,粒徑200 nm)的培養(yǎng)液中,發(fā)現(xiàn)14 d 后PS-MPs 誘導(dǎo)水稻根中32 424 個(gè)基因發(fā)生了差異化表達(dá),其中,與亞麻酸(植物光合膜脂主要成分)代謝相關(guān)的基因表達(dá)顯著下調(diào),表明PS-MPs 可能會(huì)抑制水稻光合作用,而與植物類黃酮和黃酮醇生物合成相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào),提高了水稻對(duì)PS-MPs 的抗氧化防御能力。

植物內(nèi)源代謝物種類繁多,共有20 萬—100 萬種[ 41],對(duì)生命過程中這些代謝物進(jìn)行定性定量研究,對(duì)于后基因組時(shí)代全面認(rèn)識(shí)植物生命活動(dòng)十分必要[ 42]。 代謝組是細(xì)胞或生物體內(nèi)所有代謝物的集合,反映生物體的總體生理生化狀態(tài)。 目前有關(guān)微納米塑料對(duì)植物代謝組的影響研究也十分匱乏。 Wu 等[ 43]采用水培試驗(yàn)法將水稻分別暴露于50 mg∕L 和250 mg∕L 的聚苯乙烯微塑料(PS-MPs,粒徑8.5—30.7 μm,平均水力學(xué)直徑為19.6 μm)中,測(cè)定了水稻葉片中初級(jí)(糖類和氨基酸類)和次級(jí)(有機(jī)酸和脂肪酸)代謝物的含量,發(fā)現(xiàn)PS-MPs 處理改變了水稻葉片中超過70%的代謝物的相對(duì)含量。 具體來說,葉片中12 種氨基酸、16 種糖類、26 種有機(jī)酸和17 種脂肪酸(脂類和多元醇)的相對(duì)含量在兩種濃度PS-MPs 處理后均發(fā)生變化。 水稻葉片中受干擾的生物途徑進(jìn)一步導(dǎo)致氨基酸、核酸、脂肪酸和一些次級(jí)代謝物的合成受到抑制,表明機(jī)體中能量消耗大于物質(zhì)積累。 對(duì)于水稻葉片中的大多數(shù)次級(jí)代謝物,經(jīng)50 mg∕L 和250 mg∕L PS-MPs 處理后,脂質(zhì)、多元醇、糖苷、核糖和胺化合物的相對(duì)含量分別降低了29.6%—90.9%和80.9%—99.6%。

綜上,微納米塑料的來源、成分、形狀、粒徑和濃度及植物種類都是影響其植物個(gè)體、組織、細(xì)胞及分子水平毒性的重要因素。 本課題組初步探究了微納米PS 塑料顆粒對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響,發(fā)現(xiàn)微納米PS 塑料的表面羧基化和氨基化修飾會(huì)抑制水稻種子的發(fā)芽率(未發(fā)表)。 可見,微納米塑料的表面修飾狀態(tài)也是影響種子萌發(fā)的重要因子。 今后的研究需綜合考量上述影響因子,明確各影響因子對(duì)植物毒性的貢獻(xiàn)程度,注重相關(guān)毒性機(jī)制的揭示。 此外,不同來源的微塑料的性質(zhì)有所差異,從實(shí)際樣品中分離出的微納米塑料的毒性效應(yīng)可能顯著不同于商品化的單一塑料顆粒,今后需更加關(guān)注從實(shí)際樣品中分離或脫落的微塑料顆粒引發(fā)的植物毒性效應(yīng)。

3 微納米塑料與其他污染物對(duì)植物的聯(lián)合毒性

土壤是微納米塑料和其他污染物(重金屬、有機(jī)污染物)的共同聚集地。 近兩年,有關(guān)微納米塑料與其他污染物對(duì)植物的聯(lián)合毒性研究陸續(xù)被報(bào)道,但微納米塑料與污染物對(duì)植物的效應(yīng)是協(xié)同還是拮抗作用,與微塑料的種類、污染物的性質(zhì)和植物的類型有關(guān)。

3.1 微納米塑料-重金屬對(duì)植物的聯(lián)合毒性

微納米塑料是否會(huì)攜帶重金屬進(jìn)入植物體內(nèi),使植物對(duì)重金屬的富集量增加,從而增強(qiáng)重金屬對(duì)植物的毒性效應(yīng),目前還存在爭(zhēng)議。 有學(xué)者認(rèn)為微納米塑料能夠增強(qiáng)重金屬對(duì)植物的毒性,但毒性大小取決于微塑料種類和濃度。 Wang 等[ 44]研究了不同劑量(0.1%、1%和10%)的兩種類型微塑料(高密度聚乙烯HDPE 和聚苯乙烯PS)與重金屬Cd 對(duì)農(nóng)田土壤中玉米的聯(lián)合毒性,發(fā)現(xiàn)高劑量HDPE(10%)加劇了Cd 對(duì)根、莖生物量的抑制作用,而PS 在低劑量(0.1%、1%)時(shí)就會(huì)加劇Cd 對(duì)莖生物量的抑制,表明PS與Cd 共存對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響強(qiáng)于HDPE-Cd 共存。 Wang 等[ 45]還探究了聚乙烯(PE)和聚乳酸(PLA)與Cd 共存對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)高濃度(10%)PE 和PLA 均加劇了Cd 對(duì)玉米根和莖生物量的抑制,且PLA 的負(fù)面影響比PE 更強(qiáng)。 劉玲等[ 46]研究發(fā)現(xiàn),高質(zhì)量濃度(40 mg∕L)聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)與鉛(Pb)產(chǎn)生了協(xié)同作用,加劇了Pb 對(duì)水稻根系的氧化損傷。 但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)微納米塑料與重金屬共存可緩解單一污染物引起的植物毒性效應(yīng),如聚苯乙烯微塑料-Cd 和聚對(duì)苯二甲酸類微塑料-Cd 復(fù)合污染對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響總體表現(xiàn)為拮抗作用,一定程度上降低了單一污染物的毒害作用[ 29]。 馮天聯(lián)等[ 47]研究了微塑料聚乙烯mPE 和聚丙烯mPP 與Cd 復(fù)合污染對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響,發(fā)現(xiàn)微塑料與Cd 共存會(huì)促進(jìn)小麥根與芽的伸長(zhǎng),緩解單一污染物的毒害作用,且mPP-Cd 處理對(duì)小麥根和芽伸長(zhǎng)的促進(jìn)程度高于mPE-Cd 處理。 Lian 等[ 48]評(píng)估了聚苯乙烯納米塑料(10 mg∕L)對(duì)小麥?zhǔn)艿紺d(20 mmol∕L)毒性的影響,發(fā)現(xiàn)該納米塑料可降低葉片中Cd 的含量,隨后通過代謝組分析發(fā)現(xiàn),納米塑料誘導(dǎo)了碳水化合物和氨基酸代謝的上調(diào),緩解了Cd 對(duì)小麥的毒害。 微塑料-Cd 復(fù)合效應(yīng)對(duì)小麥種子發(fā)芽、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響總體上表現(xiàn)為促進(jìn)作用,緩解了單一污染物的毒害作用。

3.2 微納米塑料-有機(jī)污染物對(duì)植物的聯(lián)合毒性

微納米塑料與有機(jī)污染物對(duì)植物的聯(lián)合毒性也有所爭(zhēng)議。 有學(xué)者發(fā)現(xiàn)微納米塑料會(huì)加劇污染物的植物毒性,如Gao 等[ 49]認(rèn)為兩種不同粒徑的聚苯乙烯微塑料(100—1 000 nm, ＞10 000 nm)可通過范德華力與鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)相互作用,降低生菜生物量和根、葉中DBP 的富集量,但會(huì)提高抗氧化酶活性,加劇氧化應(yīng)激和亞細(xì)胞損傷,即聚苯乙烯微塑料加重了DBP 誘導(dǎo)的植物毒性。 Gao 等[ 50]還研究了聚乙烯微塑料與DBP 對(duì)生菜的聯(lián)合作用,發(fā)現(xiàn)該塑料顆粒也降低了生菜根和葉對(duì)DBP 的富集,但卻加劇了DBP 對(duì)根部生長(zhǎng)和根系活力的抑制作用。 常士毫[ 51]將生菜種子在聚氯乙烯(PVC)與抗生素環(huán)丙沙星(CIP)共存條件下培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)在復(fù)合污染處理?xiàng)l件下,生菜種子的發(fā)芽率、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均低于各單一污染物處理,表明PVC 與CIP 有協(xié)同作用,且小粒徑高含量的PVC 與高濃度CIP 復(fù)合污染對(duì)生菜種子的毒害較為嚴(yán)重。

總的來說,環(huán)境中微納米塑料與共存污染物的聯(lián)合生物效應(yīng)尚不明確,有待進(jìn)一步明晰,研究重點(diǎn)在于揭示“微納米塑料-共存污染物-受試植物”三者之間的相互作用關(guān)系,包括微納米塑料或共存污染物的生物可利用性、微納米塑料與共存污染物的界面作用,以及微納米塑料或共存污染物對(duì)植物的單一毒性效應(yīng)。 此外,目前的研究未考慮共存污染物的代謝轉(zhuǎn)化過程,共存污染物的代謝產(chǎn)物與微納米塑料的聯(lián)合毒性效應(yīng)不容忽視。

4 結(jié)論與展望

土壤生態(tài)系統(tǒng)是微納米塑料的重要聚集地,由此引發(fā)的對(duì)陸生植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響亟須引起關(guān)注。當(dāng)前微納米塑料對(duì)植物影響的研究還較為匱乏,研究結(jié)果受到微納米塑料(成分、濃度、來源等)、植物種類、暴露方式及是否與其他污染物共存等諸多因素的影響,研究結(jié)論較為多樣,對(duì)于微納米塑料的毒性機(jī)理的認(rèn)識(shí)較為欠缺,在未來的研究中可著重關(guān)注以下問題。

(1)基于目前研究較多的微納米塑料對(duì)植物個(gè)體、組織水平的影響規(guī)律,需進(jìn)一步深入探求其對(duì)植物細(xì)胞和分子水平的毒性效應(yīng),將多生物學(xué)水平的效應(yīng)終點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合分析,較為全面地揭示和評(píng)估微納米塑料對(duì)陸生植物的毒性機(jī)制和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 微塑料種類多,性質(zhì)復(fù)雜,需重點(diǎn)關(guān)注哪些性質(zhì)會(huì)對(duì)植物造成不可逆的損傷,建立更加明確的性質(zhì)-效應(yīng)關(guān)系,闡明各性質(zhì)對(duì)其毒性效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度,為微納米塑料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全使用提供參考。

(2)微納米塑料在土壤環(huán)境中會(huì)經(jīng)歷一系列物理、化學(xué)和生物過程,其性質(zhì)和狀態(tài)可能會(huì)區(qū)別于新鮮添加的塑料顆粒,因此,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬研究時(shí),需更多地關(guān)注微納米塑料經(jīng)歷一定時(shí)期老化過程后對(duì)植物的生物效應(yīng),使研究結(jié)果更接近真實(shí)環(huán)境。 此外,在今后研究中需覆蓋較低和較高的微塑料濃度范圍,使得各研究結(jié)果之間更具可比性。

(3)植物可食部位微納米塑料的累積分布與人群健康密切相關(guān),需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)塑料顆粒在植物體內(nèi)的傳輸過程及影響因素研究,進(jìn)而更加準(zhǔn)確地評(píng)估土壤中微納米塑料對(duì)人群的暴露風(fēng)險(xiǎn)。 不同植物對(duì)微納米塑料污染脅迫的響應(yīng)不同,后續(xù)可多關(guān)注微納米塑料對(duì)不同植物的影響差異,并加強(qiáng)植物根際微環(huán)境對(duì)微納米塑料的響應(yīng)研究,豐富對(duì)微納米塑料的植物效應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解。

(4)土壤生態(tài)系統(tǒng)是多種污染物的“匯”,需加強(qiáng)微納米塑料與其他污染物之間的界面作用及后續(xù)聯(lián)合毒性效應(yīng)的研究。 此外,一些污染物的降解和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母體化合物,在關(guān)注污染物母體的同時(shí),需同時(shí)考量其降解產(chǎn)物與微納米塑料間的相互作用及對(duì)植物的聯(lián)合效應(yīng)。