馬 云,王 劍

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,浙江 杭州 310014)

2004年,Kronimus等[1]首次提出微塑料(Microplastics)的概念,其主要是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒。微塑料污染作為一種新型的、全球性的環(huán)境問題,已經(jīng)對人們的生活構(gòu)成了極大的威脅[2],世界各地范圍包括極地的棲息地中均存在大量塑料碎片[3-5]。目前,關(guān)于微塑料污染問題的研究主要集中在水生生態(tài)系統(tǒng)[6-10],而陸地作為塑料重要的源和匯,每年釋放到土壤的微塑料可能達(dá)到海洋的4～23倍[11],悉尼工業(yè)用地的土壤微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至達(dá)到6.7%[12],微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響需要引起更多的重視。微塑料能夠直接影響土壤的理化性質(zhì)與物質(zhì)循環(huán),對土壤酶活性產(chǎn)生顯著的影響,同時(shí)也影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康。大量研究表明:農(nóng)田覆蓋PE薄膜會顯著抑制土壤脲酶活性[13],Liu等[14]研究發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯微塑料顯著影響土壤FDA水解酶和酚氧化酶活性,曹小衛(wèi)等[15]在種植蠶豆的土壤中添加低分子聚乙烯發(fā)現(xiàn)低分子聚乙烯對土壤脲酶、過氧化物酶和堿性磷酸酶活性具有不同程度的激活作用。不同類別、粒徑的微塑料顆粒對環(huán)境的影響效應(yīng)各不相同。筆者以常見的微塑料聚丙烯(PP)為研究對象,探究蚯蚓和大豆存在土壤微生態(tài)系統(tǒng)中微塑料聚丙烯對土壤脫氫酶、蔗糖酶和脲酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

土壤采自江蘇省淮安市農(nóng)田田園種植土,土樣風(fēng)干后,過20目篩備用,未發(fā)現(xiàn)土壤中存在明顯微塑料顆粒。

赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)作為土壤模式動(dòng)物,購于浙江省杭州市鳳起花鳥市場。實(shí)驗(yàn)開始前,選取體重大小相近的赤子愛勝蚓置于干凈的培養(yǎng)皿中清腸24 h,用保鮮膜封口防止逃逸,清腸結(jié)束后選取具有活力的個(gè)體以超純水洗凈表面排泄物后備用。

大豆作為土壤模式植物,適合黃淮海、長江流域,春播生育期95～100 d,種子于室溫干燥避光保存?zhèn)溆?待實(shí)驗(yàn)開始時(shí)采用點(diǎn)播的方式種植,育苗盆口徑18 cm,高16 cm。

聚丙烯微塑料(100目,150 μm),購自中國石化集團(tuán)公司,使用前以70%乙醇清洗2次,用超純水清洗2次,40 ℃過夜烘干備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

土壤酶活性測定實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)實(shí)驗(yàn)組(C,E,P,PE),每個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,0.1%,1%,每組處理設(shè)3個(gè)平行。其中,實(shí)驗(yàn)組C為空白對照組,以研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料對土壤酶活性的影響;實(shí)驗(yàn)組E為添加蚯蚓組,以研究蚯蚓影響下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料對土壤酶活性的影響;實(shí)驗(yàn)組P為種植大豆組,以研究大豆影響下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料對土壤酶活性的影響;實(shí)驗(yàn)組PE為聯(lián)合組(添加蚯蚓并種植大豆),以研究蚯蚓、大豆聯(lián)合影響下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料對土壤酶活性的影響,實(shí)驗(yàn)周期60 d。

具體操作如下:準(zhǔn)確稱取聚丙烯微塑料質(zhì)量分別為0,2,20 g,置于事先準(zhǔn)備好的冰盆中,加入適量過篩土壤充分?jǐn)嚢?使土壤與微塑料均勻混合,最后加入過篩土壤至2 kg,充分?jǐn)嚢?使土壤中微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,0.1%,1%。加入超純水,使土壤濕度保持在30%。實(shí)驗(yàn)組C僅添加超純水;實(shí)驗(yàn)組E,PE分別添加40條上述處理的蚯蚓;實(shí)驗(yàn)組P,PE選取5粒顆粒均勻的大豆種子,以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的H2O2消毒后,徹底沖洗3次,去除種子表面殘留的H2O2,以點(diǎn)播的形式向P,PE組種植大豆種子。待所有蚯蚓完全鉆入土壤后,置于人工氣候箱中(溫度25 ℃,光照周期為白天16 h,夜間8 h,保持通風(fēng))。每日添加適量超純水保持土壤濕度約30%,期間觀察種子萌發(fā)情況,蚯蚓生存狀況,及時(shí)去除死亡蚯蚓以及培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的霉菌,分別于第3,7,14,21,28,35,42,60天收集土壤樣品保存待測土壤酶活性。

1.3 土壤酶活性測定方法

土壤脫氫酶、蔗糖酶和脲酶活性測定采用比色法,使用紫外分光光度計(jì)測定,具體步驟參照文獻(xiàn)[16]。通常吸光度越大,土壤酶活性越大。

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS(Version 22.0)進(jìn)行處理,統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)使用Origin Pro 9.0作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶活性的影響

土壤脫氫酶活性的變化趨勢如圖1所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)(3 d),對照組C中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料(0.1%)處理的土壤脫氫酶活性與空白組(0)相近,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料(1%)處理的土壤脫氫酶活性受到了抑制,活性降低了11.2%;植物組P中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料處理中未發(fā)現(xiàn)明顯變化,在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料處理中土壤脫氫酶活性受到了抑制,活性降低了4.7%,種植大豆使微塑料對土壤脫氫酶活性的抑制作用減弱;與此同時(shí),蚯蚓組E和植物組PE中的土壤脫氫酶活性較對照組C分別提高了70.2%～86.6%和49.5%～60.4%。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行(7～42 d),E組與PE組的土壤脫氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在第7天達(dá)到峰值,此時(shí)分別為對照組C的1.55～1.67倍和1.38～1.47倍;P組土壤脫氫酶活性小幅上升后恢復(fù)至對照組水平,進(jìn)一步說明蚯蚓的存在有效改善了聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶的抑制作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(60 d),各質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理的C,P,PE組土壤脫氫酶活性相似,E組土壤脫氫酶活性仍顯著高于其他處理,分別為對照組的1.21～1.26倍。綜上,聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶活性具有一定抑制作用,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)尤為顯著,這與Wang等[17]研究發(fā)現(xiàn)隨著塑料薄膜暴露量的上升,土壤脫氫酶活性顯著下降的結(jié)果一致。蚯蚓的添加極大的促進(jìn)了土壤脫氫酶活性,有效改善聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶的抑制作用。蚯蚓作為土壤中生物量最大的無脊椎生物,對土壤肥力和結(jié)構(gòu)有重要的影響作用,這可能是蚯蚓通過分泌粘液的方式調(diào)節(jié)土壤pH,為土壤微生物的生長提供適宜的環(huán)境,有利于土壤脫氫酶活性的升高[18]。種植大豆能夠減弱了聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶的抑制作用。聯(lián)合組中隨著大豆的生長,盡管有蚯蚓的存在,土壤脫氫酶活性仍然處于穩(wěn)定的狀態(tài),這表明大豆的存在不僅能夠減弱聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶的抑制作用,還能夠削弱蚯蚓對土壤脫氫酶的刺激作用,使土壤脫氫酶處于穩(wěn)態(tài)。這可能是植物生長過程中,根系主動(dòng)或被動(dòng)釋放有機(jī)化合物對污染土壤進(jìn)行修復(fù),這些根系分泌物通常是土壤微生物主要的碳和能源的來源[19],從而使土壤脫氫酶活性保持穩(wěn)態(tài)。

圖1 聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶影響圖Fig.1 The influence of polypropylene microplastics on soil dehydrogenase

2.2 聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶活性的變化趨勢如圖2所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)(3 d),對照組C中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料(0.1%)處理促進(jìn)了土壤蔗糖酶活性,上升了3%,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料(1%)處理抑制了土壤蔗糖酶活性,降低了4%;蚯蚓組E添加微塑料后,土壤蔗糖酶活性與對照組C表現(xiàn)一致,蚯蚓的存在并未改善聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶的影響;植物組P和聯(lián)合組PE中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料處理促進(jìn)土壤蔗糖酶活性,上升了5.3%和3.9%;空白組與高質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組并沒有明顯變化。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行(7～42 d),對照組與蚯蚓組E的土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在28 d達(dá)到峰值,其中對照組C的土壤蔗糖酶活性為最初的1.39～1.45倍,蚯蚓組E的土壤蔗糖酶活性為最初的1.54～1.63倍;植物組P與聯(lián)合組PE的土壤蔗糖酶活性迅速上升,在7 d達(dá)到峰值,分別為最初的1.46～1.68倍和1.46～1.55倍,隨后略微下降并保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(60 d),各質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯微塑料處理的C和E組的土壤蔗糖酶活性處于同一水平,P和PE組也處于同一水平但顯著高于對照組C,分別為對照組的1.13～1.15倍和1.15～1.18倍。綜上,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶活性有一定的促進(jìn)作用,但隨著微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高逐漸表現(xiàn)抑制作用。添加蚯蚓并未減弱聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶的抑制作用。種植大豆能夠顯著促進(jìn)土壤蔗糖酶活性,有效的緩解聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶的抑制作用。在有蚯蚓存在的情況下(聯(lián)合組PE),由于蚯蚓的生命活動(dòng)能夠增加土壤養(yǎng)分有效性,促進(jìn)植物的生長[20],改善效果更為明顯。這主要是土壤蔗糖酶活性受土壤氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,大豆具有固氮作用,能有效促進(jìn)土壤蔗糖酶活性[21],從而改善聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶活性的抑制作用。

圖2 聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶影響圖Fig.2 The influence of polypropylene microplastics on soil invertase

2.3 聚丙烯微塑料對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶活性的變化趨勢如圖3所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)(3 d),對照組C中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料(0.1%)處理對土壤脲酶活性無明顯影響,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)微塑料(1%)處理促進(jìn)土壤脲酶活性,上升了2.9%;蚯蚓組E中,土壤脲酶活性較對照組分別上升了24.8%,18%,19.2%,這表明蚯蚓的存在能夠顯著促進(jìn)土壤脲酶活性,但隨著聚丙烯微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,促進(jìn)作用受到了抑制;植物組P中,土壤脲酶活性較對照組分別上升了19.7%,12.2%,9.1%,與E組類似,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯微塑料能夠抑制大豆生長對土壤脲酶活性的促進(jìn)作用;同樣地,聯(lián)合組PE的土壤脲酶活性分別上升了13.4%,34.1%,18.1%,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚丙烯微塑料能夠抑制蚯蚓、大豆對土壤脲酶活性的促進(jìn)作用。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行(7～42 d),各實(shí)驗(yàn)組土壤脲酶活性總體呈現(xiàn)先上升后下降,最終保持穩(wěn)定。E組土壤脲酶活性變化最為明顯,顯著高于其他處理組,在28 d達(dá)到峰值,為最初的1.73～1.91倍;實(shí)驗(yàn)組C,P,PE的土壤脲酶活性總體上處于同一水平,均在第21天達(dá)到峰值,分別相當(dāng)于最初的1.89～1.93倍、1.52～1.66倍、1.45～1.71倍,隨后逐漸下降并保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(60 d),實(shí)驗(yàn)組C,P,PE的土壤脲酶活性處于同一水平,E組的土壤脲酶活性仍顯著高于其他處理組,為對照組C的1.31～1.41倍,蚯蚓的存在對土壤脲酶活性有顯著促進(jìn)作用。綜上,在一定條件下,聚丙烯微塑料對土壤脲酶活性表現(xiàn)促進(jìn)作用,這可能與土壤性質(zhì)、微塑料種類和暴露量有關(guān)。如Huang等[22]發(fā)現(xiàn)低密度聚乙烯(2 000個(gè)/kg)暴露后土壤脲酶活性顯著提高;倪麗佳等[23]發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋降低了31.6%的脲酶活性;Fei等[24]發(fā)現(xiàn)添加1%的低密度聚乙烯能顯著促進(jìn)土壤脲酶活性。另外,蚯蚓、大豆的存在(E和P組)雖然都能夠極大地促進(jìn)土壤脲酶活性,但是聚丙烯微塑料的存在抑制了蚯蚓、大豆對土壤脲酶活性的促進(jìn)作用,間接地影響土壤脲酶活性。土壤酶活性代表微生物群落的總體活性,蚯蚓和大豆的添加能夠使土壤微生物群落活性顯著上升,聚丙烯微塑料通過抑制蚯蚓的生命活動(dòng)和大豆的生長發(fā)育從而對土壤脲酶活性產(chǎn)生影響。如Lwanga等[25]發(fā)現(xiàn)在土壤中添加一定量的微塑料培養(yǎng)時(shí),蚯蚓的生物量顯著降低,尤其是受高密度微塑料暴露時(shí),蚯蚓的生長速度會受到顯著影響,更有研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的微塑料對小麥地上和地下部分生長均有影響[26],這都會對土壤微生物群落的活性產(chǎn)生消極影響,從而導(dǎo)致土壤脲酶活性的下降。

圖3 聚丙烯微塑料對土壤脲酶影響圖Fig.3 The influence of polypropylene microplastics on soil urease

3 結(jié) 論

土壤微生態(tài)系統(tǒng)中聚丙烯微塑料對土壤酶活性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:聚丙烯微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和1%時(shí),會對土壤脫氫酶、蔗糖酶活性產(chǎn)生抑制作用,對土壤脲酶有一定促進(jìn)作用,這主要是由于微塑料的種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酶種類的影響。蚯蚓的存在顯著提高了土壤脫氫酶、脲酶活性,有效改善了聚丙烯微塑料對土壤脫氫酶活性的抑制作用,聚丙烯微塑料的存在雖然抑制蚯蚓對土壤脲酶活性的影響,但是微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)抑制作用更加顯著。大豆的存在顯著提高土壤蔗糖酶、脲酶活性,有效改善聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶的抑制作用,聚丙烯微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)抑制大豆對土壤脲酶活性的影響。蚯蚓、大豆共同存在時(shí),能夠有效緩解聚丙烯微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和1%對土壤脫氫酶、蔗糖酶的抑制作用,同時(shí)蚯蚓與大豆的相互作用有效緩解了1%的聚丙烯微塑料對蚯蚓、大豆機(jī)體的刺激作用,使得蚯蚓、大豆的生命活動(dòng)和生長發(fā)育對土壤酶活性作用更加顯著。