土壤微生態系統中聚丙烯微塑料對土壤酶活性的影響

馬 云,王 劍

(浙江工業大學 環境學院,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、全球性的環境問題,已經對人們的生活構成了極大的威脅[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,關于微塑料污染問題的研究主要集中在水生生態系統[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到海洋的4～23倍[11],悉尼工業用地的土壤微塑料質量分數甚至達到6.7%[12],微塑料對土壤生態系統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與物質循環,對土壤酶活性產生顯著的影響,同時也影響土壤生態系統的健康。大量研究表明:農田覆蓋PE薄膜會顯著抑制土壤脲酶活性[13],Liu等[14]研究發現高質量分數聚乙烯微塑料顯著影響土壤FDA水解酶和酚氧化酶活性,曹小衛等[15]在種植蠶豆的土壤中添加低分子聚乙烯發現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境的影響效應各不相同。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系統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 實驗材料

土壤采自江蘇省淮安市農田田園種植土,土樣風干后,過20目篩備用,未發現土壤中存在明顯微塑料顆粒。

赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)作為土壤模式動物,購于浙江省杭州市鳳起花鳥市場。實驗開始前,選取體重大小相近的赤子愛勝蚓置于干凈的培養皿中清腸24 h,用保鮮膜封口防止逃逸,清腸結束后選取具有活力的個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備用,待實驗開始時采用點播的方式種植,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 實驗方法與設計

土壤酶活性測定實驗共設置4個實驗組(C,E,P,PE),每個實驗組設置3個微塑料質量分數分別為0,0.1%,1%,每組處理設3個平行。其中,實驗組C為空白對照組,以研究不同質量分數微塑料對土壤酶活性的影響;實驗組E為添加蚯蚓組,以研究蚯蚓影響下不同質量分數微塑料對土壤酶活性的影響;實驗組P為種植大豆組,以研究大豆影響下不同質量分數微塑料對土壤酶活性的影響;實驗組PE為聯合組(添加蚯蚓并種植大豆),以研究蚯蚓、大豆聯合影響下不同質量分數微塑料對土壤酶活性的影響,實驗周期60 d。

具體操作如下:準確稱取聚丙烯微塑料質量分別為0,2,20 g,置于事先準備好的冰盆中,加入適量過篩土壤充分攪拌,使土壤與微塑料均勻混合,最后加入過篩土壤至2 kg,充分攪拌,使土壤中微塑料質量分數分別為0,0.1%,1%。加入超純水,使土壤濕度保持在30%。實驗組C僅添加超純水;實驗組E,PE分別添加40條上述處理的蚯蚓;實驗組P,PE選取5粒顆粒均勻的大豆種子,以質量分數為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)。每日添加適量超純水保持土壤濕度約30%,期間觀察種子萌發情況,蚯蚓生存狀況,及時去除死亡蚯蚓以及培養過程中產生的霉菌,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測定,具體步驟參照文獻[16]。通常吸光度越大,土壤酶活性越大。

1.4 數據處理

統計分析使用SPSS(Version 22.0)進行處理,統計分析的數據使用Origin Pro 9.0作圖。

2 結果與討論

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。實驗開始時(3 d),對照組C中,低質量分數微塑料(0.1%)處理的土壤脫氫酶活性與空白組(0)相近,高質量分數微塑料(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,低質量分數微塑料處理中未發現明顯變化,在高質量分數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,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%。隨著實驗的進行(7～42 d),E組與PE組的土壤脫氫酶活性呈現先升高后降低的趨勢,在第7天達到峰值,此時分別為對照組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至對照組水平,進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。實驗結束時(60 d),各質量分數處理的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,高質量分數表現尤為顯著,這與Wang等[17]研究發現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果一致。蚯蚓的添加極大的促進了土壤脫氫酶活性,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,對土壤肥力和結構有重要的影響作用,這可能是蚯蚓通過分泌粘液的方式調節土壤pH,為土壤微生物的生長提供適宜的環境,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定的狀態,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態。這可能是植物生長過程中,根系主動或被動釋放有機化合物對污染土壤進行修復,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態。

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。實驗開始時(3 d),對照組C中,低質量分數微塑料(0.1%)處理促進了土壤蔗糖酶活性,上升了3%,高質量分數微塑料(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和聯合組PE中,低質量分數微塑料處理促進土壤蔗糖酶活性,上升了5.3%和3.9%;空白組與高質量分數處理組并沒有明顯變化。隨著實驗的進行(7～42 d),對照組與蚯蚓組E的土壤蔗糖酶活性呈現先上升后下降的趨勢,在28 d達到峰值,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與聯合組PE的土壤蔗糖酶活性迅速上升,在7 d達到峰值,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定。實驗結束時(60 d),各質量分數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,低質量分數聚丙烯微塑料對土壤蔗糖酶活性有一定的促進作用,但隨著微塑料質量分數升高逐漸表現抑制作用。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(聯合組PE),由于蚯蚓的生命活動能夠增加土壤養分有效性,促進植物的生長[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量分數的影響,大豆具有固氮作用,能有效促進土壤蔗糖酶活性[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。實驗開始時(3 d),對照組C中,低質量分數微塑料(0.1%)處理對土壤脲酶活性無明顯影響,隨著質量分數的增大,高質量分數微塑料(1%)處理促進土壤脲酶活性,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土壤脲酶活性,但隨著聚丙烯微塑料質量分數的升高,促進作用受到了抑制;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,高質量分數聚丙烯微塑料能夠抑制大豆生長對土壤脲酶活性的促進作用;同樣地,聯合組PE的土壤脲酶活性分別上升了13.4%,34.1%,18.1%,高質量分數聚丙烯微塑料能夠抑制蚯蚓、大豆對土壤脲酶活性的促進作用。隨著實驗的進行(7～42 d),各實驗組土壤脲酶活性總體呈現先上升后下降,最終保持穩定。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達到峰值,為最初的1.73～1.91倍;實驗組C,P,PE的土壤脲酶活性總體上處于同一水平,均在第21天達到峰值,分別相當于最初的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定。實驗結束時(60 d),實驗組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促進作用,這可能與土壤性質、微塑料種類和暴露量有關。如Huang等[22]發現低密度聚乙烯(2 000個/kg)暴露后土壤脲酶活性顯著提高;倪麗佳等[23]發現地膜覆蓋降低了31.6%的脲酶活性;Fei等[24]發現添加1%的低密度聚乙烯能顯著促進土壤脲酶活性。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和大豆的生長發育從而對土壤脲酶活性產生影響。如Lwanga等[25]發現在土壤中添加一定量的微塑料培養時,蚯蚓的生物量顯著降低,尤其是受高密度微塑料暴露時,蚯蚓的生長速度會受到顯著影響,更有研究發現質量分數為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生消極影響,從而導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 論

土壤微生態系統中聚丙烯微塑料對土壤酶活性的實驗結果顯示:聚丙烯微塑料質量分數為0.1%和1%時,會對土壤脫氫酶、蔗糖酶活性產生抑制作用,對土壤脲酶有一定促進作用,這主要是由于微塑料的種類、質量分數和酶種類的影響。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,但是微塑料質量分數為1%時抑制作用更加顯著。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,聚丙烯微塑料質量分數為1%時抑制大豆對土壤脲酶活性的影響。蚯蚓、大豆共同存在時,能夠有效緩解聚丙烯微塑料質量分數為0.1%和1%對土壤脫氫酶、蔗糖酶的抑制作用,同時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、大豆機體的刺激作用,使得蚯蚓、大豆的生命活動和生長發育對土壤酶活性作用更加顯著。