马 云,王 剑

(浙江工业大学 环境学院,浙江 杭州 310014)

2004年,Kronimus等[1]首次提出微塑料(Microplastics)的概念,其主要是指粒径小于5 mm的塑料颗粒。微塑料污染作为一种新型的、全球性的环境问题,已经对人们的生活构成了极大的威胁[2],世界各地范围包括极地的栖息地中均存在大量塑料碎片[3-5]。目前,关于微塑料污染问题的研究主要集中在水生生态系统[6-10],而陆地作为塑料重要的源和汇,每年释放到土壤的微塑料可能达到海洋的4～23倍[11],悉尼工业用地的土壤微塑料质量分数甚至达到6.7%[12],微塑料对土壤生态系统的影响需要引起更多的重视。微塑料能够直接影响土壤的理化性质与物质循环,对土壤酶活性产生显著的影响,同时也影响土壤生态系统的健康。大量研究表明:农田覆盖PE薄膜会显著抑制土壤脲酶活性[13],Liu等[14]研究发现高质量分数聚乙烯微塑料显著影响土壤FDA水解酶和酚氧化酶活性,曹小卫等[15]在种植蚕豆的土壤中添加低分子聚乙烯发现低分子聚乙烯对土壤脲酶、过氧化物酶和碱性磷酸酶活性具有不同程度的激活作用。不同类别、粒径的微塑料颗粒对环境的影响效应各不相同。笔者以常见的微塑料聚丙烯(PP)为研究对象,探究蚯蚓和大豆存在土壤微生态系统中微塑料聚丙烯对土壤脱氢酶、蔗糖酶和脲酶活性的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

土壤采自江苏省淮安市农田田园种植土,土样风干后,过20目筛备用,未发现土壤中存在明显微塑料颗粒。

赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)作为土壤模式动物,购于浙江省杭州市凤起花鸟市场。实验开始前,选取体重大小相近的赤子爱胜蚓置于干净的培养皿中清肠24 h,用保鲜膜封口防止逃逸,清肠结束后选取具有活力的个体以超纯水洗净表面排泄物后备用。

大豆作为土壤模式植物,适合黄淮海、长江流域,春播生育期95～100 d,种子于室温干燥避光保存备用,待实验开始时采用点播的方式种植,育苗盆口径18 cm,高16 cm。

聚丙烯微塑料(100目,150 μm),购自中国石化集团公司,使用前以70%乙醇清洗2次,用超纯水清洗2次,40 ℃过夜烘干备用。

1.2 实验方法与设计

土壤酶活性测定实验共设置4个实验组(C,E,P,PE),每个实验组设置3个微塑料质量分数分别为0,0.1%,1%,每组处理设3个平行。其中,实验组C为空白对照组,以研究不同质量分数微塑料对土壤酶活性的影响;实验组E为添加蚯蚓组,以研究蚯蚓影响下不同质量分数微塑料对土壤酶活性的影响;实验组P为种植大豆组,以研究大豆影响下不同质量分数微塑料对土壤酶活性的影响;实验组PE为联合组(添加蚯蚓并种植大豆),以研究蚯蚓、大豆联合影响下不同质量分数微塑料对土壤酶活性的影响,实验周期60 d。

具体操作如下:准确称取聚丙烯微塑料质量分别为0,2,20 g,置于事先准备好的冰盆中,加入适量过筛土壤充分搅拌,使土壤与微塑料均匀混合,最后加入过筛土壤至2 kg,充分搅拌,使土壤中微塑料质量分数分别为0,0.1%,1%。加入超纯水,使土壤湿度保持在30%。实验组C仅添加超纯水;实验组E,PE分别添加40条上述处理的蚯蚓;实验组P,PE选取5粒颗粒均匀的大豆种子,以质量分数为0.3%的H2O2消毒后,彻底冲洗3次,去除种子表面残留的H2O2,以点播的形式向P,PE组种植大豆种子。待所有蚯蚓完全钻入土壤后,置于人工气候箱中(温度25 ℃,光照周期为白天16 h,夜间8 h,保持通风)。每日添加适量超纯水保持土壤湿度约30%,期间观察种子萌发情况,蚯蚓生存状况,及时去除死亡蚯蚓以及培养过程中产生的霉菌,分别于第3,7,14,21,28,35,42,60天收集土壤样品保存待测土壤酶活性。

1.3 土壤酶活性测定方法

土壤脱氢酶、蔗糖酶和脲酶活性测定采用比色法,使用紫外分光光度计测定,具体步骤参照文献[16]。通常吸光度越大,土壤酶活性越大。

1.4 数据处理

统计分析使用SPSS(Version 22.0)进行处理,统计分析的数据使用Origin Pro 9.0作图。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶活性的影响

土壤脱氢酶活性的变化趋势如图1所示。实验开始时(3 d),对照组C中,低质量分数微塑料(0.1%)处理的土壤脱氢酶活性与空白组(0)相近,高质量分数微塑料(1%)处理的土壤脱氢酶活性受到了抑制,活性降低了11.2%;植物组P中,低质量分数微塑料处理中未发现明显变化,在高质量分数微塑料处理中土壤脱氢酶活性受到了抑制,活性降低了4.7%,种植大豆使微塑料对土壤脱氢酶活性的抑制作用减弱;与此同时,蚯蚓组E和植物组PE中的土壤脱氢酶活性较对照组C分别提高了70.2%～86.6%和49.5%～60.4%。随着实验的进行(7～42 d),E组与PE组的土壤脱氢酶活性呈现先升高后降低的趋势,在第7天达到峰值,此时分别为对照组C的1.55～1.67倍和1.38～1.47倍;P组土壤脱氢酶活性小幅上升后恢复至对照组水平,进一步说明蚯蚓的存在有效改善了聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶的抑制作用。实验结束时(60 d),各质量分数处理的C,P,PE组土壤脱氢酶活性相似,E组土壤脱氢酶活性仍显著高于其他处理,分别为对照组的1.21～1.26倍。综上,聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶活性具有一定抑制作用,高质量分数表现尤为显著,这与Wang等[17]研究发现随着塑料薄膜暴露量的上升,土壤脱氢酶活性显著下降的结果一致。蚯蚓的添加极大的促进了土壤脱氢酶活性,有效改善聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶的抑制作用。蚯蚓作为土壤中生物量最大的无脊椎生物,对土壤肥力和结构有重要的影响作用,这可能是蚯蚓通过分泌粘液的方式调节土壤pH,为土壤微生物的生长提供适宜的环境,有利于土壤脱氢酶活性的升高[18]。种植大豆能够减弱了聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶的抑制作用。联合组中随着大豆的生长,尽管有蚯蚓的存在,土壤脱氢酶活性仍然处于稳定的状态,这表明大豆的存在不仅能够减弱聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶的抑制作用,还能够削弱蚯蚓对土壤脱氢酶的刺激作用,使土壤脱氢酶处于稳态。这可能是植物生长过程中,根系主动或被动释放有机化合物对污染土壤进行修复,这些根系分泌物通常是土壤微生物主要的碳和能源的来源[19],从而使土壤脱氢酶活性保持稳态。

图1 聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶影响图Fig.1 The influence of polypropylene microplastics on soil dehydrogenase

2.2 聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶活性的变化趋势如图2所示。实验开始时(3 d),对照组C中,低质量分数微塑料(0.1%)处理促进了土壤蔗糖酶活性,上升了3%,高质量分数微塑料(1%)处理抑制了土壤蔗糖酶活性,降低了4%;蚯蚓组E添加微塑料后,土壤蔗糖酶活性与对照组C表现一致,蚯蚓的存在并未改善聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶的影响;植物组P和联合组PE中,低质量分数微塑料处理促进土壤蔗糖酶活性,上升了5.3%和3.9%;空白组与高质量分数处理组并没有明显变化。随着实验的进行(7～42 d),对照组与蚯蚓组E的土壤蔗糖酶活性呈现先上升后下降的趋势,在28 d达到峰值,其中对照组C的土壤蔗糖酶活性为最初的1.39～1.45倍,蚯蚓组E的土壤蔗糖酶活性为最初的1.54～1.63倍;植物组P与联合组PE的土壤蔗糖酶活性迅速上升,在7 d达到峰值,分别为最初的1.46～1.68倍和1.46～1.55倍,随后略微下降并保持稳定。实验结束时(60 d),各质量分数聚丙烯微塑料处理的C和E组的土壤蔗糖酶活性处于同一水平,P和PE组也处于同一水平但显著高于对照组C,分别为对照组的1.13～1.15倍和1.15～1.18倍。综上,低质量分数聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶活性有一定的促进作用,但随着微塑料质量分数升高逐渐表现抑制作用。添加蚯蚓并未减弱聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶的抑制作用。种植大豆能够显著促进土壤蔗糖酶活性,有效的缓解聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶的抑制作用。在有蚯蚓存在的情况下(联合组PE),由于蚯蚓的生命活动能够增加土壤养分有效性,促进植物的生长[20],改善效果更为明显。这主要是土壤蔗糖酶活性受土壤氮元素质量分数的影响,大豆具有固氮作用,能有效促进土壤蔗糖酶活性[21],从而改善聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶活性的抑制作用。

图2 聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶影响图Fig.2 The influence of polypropylene microplastics on soil invertase

2.3 聚丙烯微塑料对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶活性的变化趋势如图3所示。实验开始时(3 d),对照组C中,低质量分数微塑料(0.1%)处理对土壤脲酶活性无明显影响,随着质量分数的增大,高质量分数微塑料(1%)处理促进土壤脲酶活性,上升了2.9%;蚯蚓组E中,土壤脲酶活性较对照组分别上升了24.8%,18%,19.2%,这表明蚯蚓的存在能够显著促进土壤脲酶活性,但随着聚丙烯微塑料质量分数的升高,促进作用受到了抑制;植物组P中,土壤脲酶活性较对照组分别上升了19.7%,12.2%,9.1%,与E组类似,高质量分数聚丙烯微塑料能够抑制大豆生长对土壤脲酶活性的促进作用;同样地,联合组PE的土壤脲酶活性分别上升了13.4%,34.1%,18.1%,高质量分数聚丙烯微塑料能够抑制蚯蚓、大豆对土壤脲酶活性的促进作用。随着实验的进行(7～42 d),各实验组土壤脲酶活性总体呈现先上升后下降,最终保持稳定。E组土壤脲酶活性变化最为明显,显著高于其他处理组,在28 d达到峰值,为最初的1.73～1.91倍;实验组C,P,PE的土壤脲酶活性总体上处于同一水平,均在第21天达到峰值,分别相当于最初的1.89～1.93倍、1.52～1.66倍、1.45～1.71倍,随后逐渐下降并保持稳定。实验结束时(60 d),实验组C,P,PE的土壤脲酶活性处于同一水平,E组的土壤脲酶活性仍显著高于其他处理组,为对照组C的1.31～1.41倍,蚯蚓的存在对土壤脲酶活性有显著促进作用。综上,在一定条件下,聚丙烯微塑料对土壤脲酶活性表现促进作用,这可能与土壤性质、微塑料种类和暴露量有关。如Huang等[22]发现低密度聚乙烯(2 000个/kg)暴露后土壤脲酶活性显著提高;倪丽佳等[23]发现地膜覆盖降低了31.6%的脲酶活性;Fei等[24]发现添加1%的低密度聚乙烯能显著促进土壤脲酶活性。另外,蚯蚓、大豆的存在(E和P组)虽然都能够极大地促进土壤脲酶活性,但是聚丙烯微塑料的存在抑制了蚯蚓、大豆对土壤脲酶活性的促进作用,间接地影响土壤脲酶活性。土壤酶活性代表微生物群落的总体活性,蚯蚓和大豆的添加能够使土壤微生物群落活性显著上升,聚丙烯微塑料通过抑制蚯蚓的生命活动和大豆的生长发育从而对土壤脲酶活性产生影响。如Lwanga等[25]发现在土壤中添加一定量的微塑料培养时,蚯蚓的生物量显著降低,尤其是受高密度微塑料暴露时,蚯蚓的生长速度会受到显著影响,更有研究发现质量分数为1%的微塑料对小麦地上和地下部分生长均有影响[26],这都会对土壤微生物群落的活性产生消极影响,从而导致土壤脲酶活性的下降。

图3 聚丙烯微塑料对土壤脲酶影响图Fig.3 The influence of polypropylene microplastics on soil urease

3 结 论

土壤微生态系统中聚丙烯微塑料对土壤酶活性的实验结果显示:聚丙烯微塑料质量分数为0.1%和1%时,会对土壤脱氢酶、蔗糖酶活性产生抑制作用,对土壤脲酶有一定促进作用,这主要是由于微塑料的种类、质量分数和酶种类的影响。蚯蚓的存在显著提高了土壤脱氢酶、脲酶活性,有效改善了聚丙烯微塑料对土壤脱氢酶活性的抑制作用,聚丙烯微塑料的存在虽然抑制蚯蚓对土壤脲酶活性的影响,但是微塑料质量分数为1%时抑制作用更加显著。大豆的存在显著提高土壤蔗糖酶、脲酶活性,有效改善聚丙烯微塑料对土壤蔗糖酶的抑制作用,聚丙烯微塑料质量分数为1%时抑制大豆对土壤脲酶活性的影响。蚯蚓、大豆共同存在时,能够有效缓解聚丙烯微塑料质量分数为0.1%和1%对土壤脱氢酶、蔗糖酶的抑制作用,同时蚯蚓与大豆的相互作用有效缓解了1%的聚丙烯微塑料对蚯蚓、大豆机体的刺激作用,使得蚯蚓、大豆的生命活动和生长发育对土壤酶活性作用更加显著。