2023, Vol. 44
2. 温州市生态环境局平阳分局, 温州 325000;
3. 浙江农林大学浙江省土壤污染生物修复重点实验室, 杭州 311300
, ZHANG Lin1 , DENG Min1 , YANG Wen2 , HAN Yun2 , JIN Ming-lu1 , XIE Jun-jie1 , HE Mian1 , CAI Yi-min1,3
, ZHANG Hai-bo1,3
2. Pingyang Branch of Wenzhou Ecological Environment, Wenzhou 325000, China;
3. Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, China
微塑料是指直径小于5 mm的颗粒、碎片、薄膜、发泡或纤维等形状的塑料制品[1, 2], 目前已和持久性有机污染物、内分泌干扰物以及抗生素组成国际上广泛关注的四大新污染物.我国土壤微塑料污染日益加剧[3, 4], 农田土壤中微塑料含量可高达42 960个·kg-1[5].其中, 聚乙烯(PE)和聚酰胺(PA)是农田土壤中检出的常见微塑料之一[6], 我国5个省农田土壤的田间调查结果显示, PE和PA的占比分别为20.9%和20.3%[7], 且纤维和碎片为主要的微塑料形状[8].现有研究表明, 土壤中微塑料可直接影响植物种子萌发、根系生长和养分吸收等过程[9~11], 也可通过改变土壤理化性质对植物产生间接效应[12, 13], 但较少研究关注微塑料对土壤-植物系统产生的化学风险.
塑料添加剂及聚合物单体的浸出是塑料对生物体的致毒机制之一.塑料添加剂的种类和添加量随塑料聚合物类型和产品功能需求的不同而存在差异[14~16], 且多以非化学键与塑料基质连接[17], 容易在塑料老化及破碎过程中向水体、土壤和大气等环境介质浸出和释放.目前, 已有研究证明微塑料浸出液可对水生动物和植物产生影响[18, 19].例如高浓度的聚氨酯类(PU)微塑料的浸提液显著降低了小球藻的光合作用效率[18].与水体环境一致, 累积在土壤中的微塑料同样容易在土壤孔隙水的作用下发生物质溶出, 进而影响陆生植物的生长.Menicagli等[20]的研究发现高密度聚乙烯(HDPE)和可生物降解(BIO)塑料袋的浸出液可降低海岸沙丘植物的发芽率, 并在高浓度时导致幼苗异常.同样, Pflugmacher等[21]的研究结果也证实聚苯乙烯(PC)颗粒降低了荇菜种子的发芽率.目前, 围绕微塑料浸出液对陆生植物生长的研究还十分有限, 但以上研究结果表明需重视微塑料在环境中物质溶出造成的化学风险.与此同时, 浸提条件如浸提温度可显著影响塑料中物质溶出的程度[22~24], 因此需结合浸提条件考察微塑料产生的化学风险.
本研究选取聚酰胺原料及市售商品聚乙烯绳制备了尺寸为1 mm的微塑料纤维, 获得不同浸提温度下的微塑料浸出液, 分析浸出液中可溶性碳氮的溶出量及用于表征可溶性有机物溶液性质的紫外光谱学参数, 探究微塑料浸出液对生菜种子萌发的影响, 以期为明确微塑料对陆生植物种子萌发的化学风险提供基础数据.
1 材料与方法 1.1 供试材料本研究拟选用聚酰胺原料切丝和市售商品聚乙烯绳制备的微塑料纤维作为供试材料.其中, 聚酰胺纤维切丝(原料)购自新特力科技有限公司, 其长度为1 mm左右, 记作PA(polyamide); 商品聚乙烯绳购自春光绳网化纤公司, 商品聚乙烯绳经人工剪裁至1~2 mm左右备用, 记作PE (polyethylene).两种微塑料纤维样品均送至上海微谱有限公司, 进行傅里叶红外光谱(ATR-FTIR, 赛默飞IN10)、差示扫描量热分析(DSC, TA)和塑料主成分分析(Py-GCMS, PY-3030D/7890B-5977A)的检测, 以确定其聚合物类型; 并经台式扫描电镜(SEM, TM3030)观测其表面形貌.供试生菜品种为意大利生菜, 购自中蔬种业科技(北京)有限公司.
1.2 微塑料浸出液的制备本试验考察两种不同聚合物类型的微塑料纤维在不同温度下(25℃和50℃)的浸出液特征及其对生菜种子萌发的影响.试验共设置4个处理, 即聚酰胺微塑料25℃浸出液(PA1)、聚酰胺微塑料50℃浸出液(PA2)、聚乙烯微塑料25℃浸出液(PE1)和聚乙烯微塑料50℃浸出液(PE2).每个处理设置3个重复, 共12个样品.微塑料浸出液的制备条件如下: 分别称取PA微塑料纤维和PE微塑料纤维各0.5 g, 置于120 mL棕色小瓶中, 加入50 mL超纯水, 分别置于25℃振荡箱和50℃水浴振荡摇床中, 于150 r·min-1的转速下振荡72 h, 经0.45 μm滤膜过滤获得上清液, 4℃保存用于后续表征分析和发芽试验.
1.3 微塑料浸出液的表征 1.3.1 可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)分析各个处理下的微塑料浸提液经2 mol·L-1的HCl溶液酸化, 调pH至2以下后采用总有机碳分析仪(Multi N/C3100 TOC/TN仪)测定其DOC和DON的含量.样品测定时以5 mg·L-1C标准溶液和1 mg·L-1 N标准溶液作为质控.
1.3.2 紫外-可见光谱的全波长扫描分析(UV-Vis)全波长扫描的参数设置参考吴婧等[25], 选用光程路径为10 mm的石英比色皿, 加入5 mL的微塑料浸出液进行全波长扫描.全波长扫描的波长范围为190~700 nm, 增量为1 nm.分别根据式(1)和式(2)计算254、260和280 nm波长下的吸光系数[α(λ), m-1]和单位DOC浓度的吸光系数[SUVA(λ), 以C计, L·(mg·m)-1].其中, SUVA254和SUVA280可反映DOM溶液芳香性的强弱, 数值越大, 芳香性越强[26, 27], SUVA260可用于反映DOM溶液的疏水性组分含量, 数值越大, 疏水组分越多[28].根据式(3)和式(4)计算光谱斜率(SR), SR可用于反映溶解性有机质分子量的变化[29].
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式中, A(λ)为特定波长λ下的吸光度; L为光程路径, m; ρ(DOC)为微塑料滤液的DOC的浓度, mg·L-1; α(λ)和αλref分别为波长λ和λref下的吸光系数, SR为吸光曲线的光谱斜率; S275-295和S350-400分别为波长范围为275~295 nm和350~400 nm对数吸收系数的回归斜率, 根据MATLAB对该波长范围内对数吸收系数进行线性回归计算获得.
1.4 种子发芽试验生菜种子经3% H2O2溶液消毒30 min后, 经去离子水和超纯水各冲洗3遍以去除残留的消毒剂.分别将消毒后的生菜种子置于100 mL的4个处理下的微塑料浸出液中浸种6 h(黑暗, 20℃), 同时以超纯水作为CK.将浸种后饱满的生菜种子整齐摆放在装有2层滤纸的9 cm玻璃培养皿中, 每个培养皿中播种20颗种子, 每个处理5个重复, 共25个培养皿.种子播种后向玻璃培养皿中加入10 mL微塑料浸出液, 并将处理好的培养皿置于人工气候培养箱内培养7 d.人工气候箱的培养条件设置为: 黑暗, 20℃, 相对湿度控制在60% ~70%.培养过程中每天记录生菜种子的萌发情况, 并根据实际情况每2 d补充1~2 mL微塑料浸出液以保持湿润.培养7 d收获后测定生菜的株高、根长及鲜重.生菜样品于105℃烘箱内杀青30 min后, 70℃恒温烘干72 h至恒重, 经万分之一天平记录干重.同时根据表 1中的公式计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间等参数.
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表 1 种子发芽参数计算 Table 1 Calculation of seed germination parameters |
1.5 数据处理
采用SPSS 22.0软件进行统计分析和双因素方差分析, 试验结果均以“均值±标准差”表示, 其中多重比较采用Turkey检验法; 采用Origin 2021软件进行图像绘制, 由Adobe Illustrator CS6软件进行组合.
2 结果与分析 2.1 微塑料的表征经ATR-FTIR获得两种微塑料纤维在500~4 500 cm-1下的红外谱图[图 1(a)].从图 1中可以看出, PA微塑料在680 cm-1(N—H弯曲振动)、1 536 cm-1(酰胺Ⅱ)、1 635 cm-1(酰胺Ⅰ)、2 934 cm-1和2 862 cm-1(—CH2—吸收峰)以及3 292 cm-1(N—H伸缩振动)处具有特征峰; 而PE微塑料在716 cm-1(—CH2—摇摆振动)、1 471 cm-1(—CH2—弯曲振动)、2 847 cm-1(—CH2—对称伸缩振动)和2 914 cm-1(—CH2—不对称伸缩振动)处具有特征峰.通过对比红外光谱数据库中标准谱图(上海有机化学研究所), 可确定这两种微塑料的聚合物类型分别为聚酰胺和聚乙烯.DSC曲线如图 1(b)所示, PA微塑料和PE微塑料的熔点分别为223.2℃和137.6℃, 这与聚酰胺6(即PA6)和聚乙烯的熔点相符; 同时, 两种微塑料Py-GCMS谱图显示的片段信息分别为聚酰胺6和聚乙烯[图 1(c)和1(d)].由此可进一步确认PA微塑料的聚合物类型为聚酰胺6, PE微塑料的聚合物类型为聚乙烯.两种微塑料的扫描电镜图如图 1(e)和1(f)所示, PA微塑料粒径均匀, 表面光滑, 但两端有明显切割形变; PE微塑料则表面略有不平整, 整根纤维表面存在凹凸不平, 两端同样存在剪切痕迹.将PA和PE微塑料置于水溶液中可明显观察到PA相较于PE更为亲水.
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(a)PA和PE的红外谱图; (b)PA和PE的DSC曲线; (c)PA的Py-GCMS谱图; (d)PE的Py-GCMS谱图; (e)PA的电镜图; (f)PE的电镜图 图 1 原料聚酰胺微塑料(PA)和商品聚乙烯微塑料(PE)的表征 Fig. 1 Characterization of raw microplastics (PA) and commercial microplastics (PE) |
不同浸提温度下PA和PE微塑料浸出液中DOC、DON浓度和pH的变化如图 2所示, PA和PE在25℃下浸提液的ρ(DOC)分别是93.7 mg·L-1和1.06 mg·L-1, 而在50℃下ρ(DOC)分别为115.8 mg·L-1和1.98 mg·L-1. 4个处理下微塑料浸出液的DON浓度的变化趋势与DOC一致, PA和PE在25℃下浸出液的ρ(DON)分别是14.1 mg·L-1和0.30 mg·L-1, 而在50℃下ρ(DON)分别为19.5 mg·L-1和0.47 mg·L-1.从图 2(a)可以看出, PA在50℃下浸出液中DOC和DON浓度分别是25℃下浸提液的1.24倍和1.38倍, 而PE在这两个温度下浸出液的DOC和DON浓度无显著性差异(P＞0.05).同样, 图 2(b)可知4个处理下微塑料浸出液的pH无显著性差异(P＞0.05).
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用Tukey法进行多重比较, 同一柱状图和曲线中标有不同小写字母表示各处理的组间差异显著(P＜0.05), 标有相同小写字母则表示各处理的组间差异不显著(P＞0.05) 图 2 原料聚酰胺微塑料(PA)和商品聚乙烯微塑料(PE)浸出液中DOC、DON浓度和pH变化 Fig. 2 Changes in DOC, DON, and pH in the leachates of raw microplastics (PA) and commercial microplastics (PE) |
由表 2可知, 无论是PA还是PE, 微塑料浸提液的SUVA254、SUVA260和SUVA280值均随浸提温度升高而呈现下降趋势, 但两个浸提温度下微塑料浸出液的SUVA参数并无显著性差异(P＞0.05).与此同时, PE微塑料在两个温度下获得的浸出液的SUVA254、SUVA260和SUVA280值均显著高于PA.在25℃浸提温度下, PE浸出液的SUVA254、SUVA260和SUVA280值约为PA的22.3、25.3和23.3倍; 而在50℃浸提温度下, PE则是PA的18.6、21.2和24.6倍.结果表明, 微塑料的聚合物类型显著影响了其浸出液的芳香性和疏水性, 而25~50℃的浸提温度对相同聚合物类型的微塑料浸出液的影响则较小.同样, SR受到微塑料聚合物类型的影响显著, 而受温度的影响不显著(P＞0.05).PE浸出液的SR值是PA的1.96倍(25℃)和1.84倍(50℃), 表明PE浸出液的相对分子量显著低于PA浸出液.
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表 2 原料聚酰胺微塑料(PA)与商品聚乙烯微塑料(PE)浸出液的紫外特征1) Table 2 UV characteristics of raw microplastic (PA) and commercial microplastic (PE) leaching solutions |
2.4 微塑料浸出液对生菜种子发芽的影响
为探究不同聚合物类型和浸提温度下获得的微塑料浸出液对生菜种子发芽过程的影响, 以发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间表征微塑料浸出液对生菜种子萌发特征的影响作用, 结果如表 3所示.从中可知, 除平均发芽时间外, 其余各发芽参数均受到微塑料聚合物类型和浸提温度的显著影响.相对于CK, PE和PA在50℃下的浸出液显著降低了生菜种子的发芽率, 而浸提温度为25℃的浸出液则对发芽率无显著影响(P＞0.05).4个微塑料浸出液均显著降低了生菜种子发芽势、发芽指数以及活力指数, 且均表现为高浸提温度下微塑料浸出液各指标的抑制率高于低浸提温度.微塑料浸提液处理下生菜种子的平均发芽时间有所提高, 但未见显著性影响(P＞0.05).如图 3(b)~3(e)所示, PE微塑料和PA微塑料浸出液使部分生菜种子存在胚根短小和子叶未展开等发育异常的情况.
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表 3 原料聚酰胺微塑料(PA)与商品聚乙烯微塑料(PE)浸出液对生菜种子发芽参数的影响 Table 3 Effects of raw microplastic (PA) and commercial microplastic (PE) leachate on germination parameters of lettuce seeds |
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(a) 各个处理下生菜种子的发芽情况; (b)~(e)分别为在对应处理下部分生菜种子发育异常的情况 图 3 原料聚酰胺微塑料(PA)和商品聚乙烯微塑料(PE)浸出液对生菜发芽和异常的影响 Fig. 3 Effects of raw microplastic (PA) and commercial microplastic (PE) leachates on lettuce germination |
从图 4(a)可以看出, 受微塑料浸出液的影响生菜的株高和根长存在一定波动, 但相比于CK, 4个微塑料浸出液的影响均不显著(P＞0.05).与PE微塑料浸出液相比, PA微塑料浸出液对生菜根长的抑制率相对更高[图 3(b)].从图 4(b)可知, 各处理间生菜的干重无显著性变化(P＞0.05), 生菜鲜重表现为在PE1(25℃)处理下最低, 而在PA1(25℃)处理下最高.
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用Tukey法进行多重比较, 同一柱状图和曲线中标有不同小写字母代表各处理的组间差异显著(P＜0.05), 标有相同小写字母则表示各处理的组间差异不显著(P＞0.05) 图 4 原料聚酰胺微塑料(PA)和商品聚乙烯微塑料(PE)浸出液对生菜发芽指标的影响 Fig. 4 Effects of raw microplastic (PA) and commercial microplastic (PE) leachates on lettuce germination indicators |
塑料聚合物的主链会随着环境中光氧化、热老化、机械破碎和水解等作用断裂并降解产生微塑料[31, 32], 同时以挥发性有机化合物(VOCs)和浸出液的形式, 向环境中释放塑化剂、有机阻燃剂及无机离子等添加剂和低聚物或单体物质[33, 34].例如, Sait等[35]基于GC-MS非靶标化学分析手段, 在聚酰胺(PA)、聚酯(PET)和聚丙烯腈(PAN)等微塑料纤维的短期浸出液(14 d)中检测出相应的单体、紫外稳定剂和降解产物.同时, 己内酰胺(caprolactam)作为PA聚合的初始材料, 在原始PA纤维和紫外辐射后的PA浸出液中均被检出[35].研究者同样在PP和HDPE微塑料浸出液中检测出一些低分子量的醛、酮、烯烃、烷烃和羧酸等物质, 以上物质属于微塑料颗粒聚合物的降解产物[31].
由于聚酰胺具有大量吸水率较大的酰胺键, 可在溶液中发生水解反应[36], 其水解反应式如图 5所示.在自然老化过程中聚酰胺原有的分子链结构被破坏后, 会形成具有老化活性的链末端, 进一步使其稳定性下降[37]. 安振华等[37]基于原位老化评价系统进行聚酰胺薄膜(PA6)老化降解过程的模拟, 发现高湿度环境可促进PA6在环境温度(40℃和80℃)下气相降解产物CO2的产生, 且高温(80℃)下老化反应速度提高.在本研究中, PA微塑料浸出液中DOC和DON浓度的显著升高[图 2(a)], 说明PA微塑料在浸出液中可能发生了酰胺基的断裂, 且浸提温度升高有助于加快PA微塑料中聚合物链的断裂.
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修改自文献[36] 图 5 聚酰胺水解反应式 Fig. 5 Polyamide hydrolysis reaction formula |
对于PE微塑料浸出液而言, 其DOC和DON的浸出浓度显著低于PA微塑料.这是由于PE非极性的饱和高分子量烃链结构决定了其化学性质的稳定, 其结晶域的有序结构限制了分子链的运动能力, 因此降解速率非常缓慢[38].另一方面, 商品来源的PE微塑料具有户外晾晒、捆绑和运输包装等用途, 具备耐磨损、抗老化、耐腐蚀的特性.其抗氧化剂的添加可能降低了商品PE微塑料支链的断裂和水解, 进而使得PE微塑料浸出液中的DOC和DON显著低于原料PA[图 2(a)].李婉逸等[39]的研究同样指出, 商品塑料制品中的抗氧化剂可保护聚合物链不被紫外光(老化作用)破坏, 因此释放的DOC较少.
3.2 微塑料聚合物类型和浸提温度对微塑料浸出液光谱学特征的影响紫外光谱是表征溶解性有机质分子特性的重要手段, 广泛应用于自然水体和土壤溶液中[29], 目前有少量研究将其用于微塑料浸出液的表征[40].结合表 2的数据可知, 微塑料的聚合物类型显著影响了微塑料浸出液的紫外特性, 而浸提温度则影响相对较小.在本研究中PA微塑料浸出液的芳香性和疏水物质组分显著低于PE微塑料浸出液, 这可能是由于聚酰胺为链状聚合物, 芳香性较低; 同时聚酰胺的亲水性较强, 且其水解产物中有羧基生成[36], 因此浸出液中疏水组分的含量较低.而商品聚乙烯塑料中常含有一系列添加剂, 如邻苯二甲酸酯类(PAEs)和双酚类(BPs)物质等含有苯环, 且具有一定的疏水性, 此类物质的溶出可能导致PE微塑料浸出液芳香性和疏水物质组分的提高.本研究中PE微塑料浸出液的相对分子量低于PA微塑料浸出液, 说明了PA微塑料在水环境中发生聚合物链断裂和水解的程度要强于PE微塑料.
3.3 微塑料浸出液对生菜种子萌发的影响在发芽期间种子通过气孔吸收环境介质中的水分, 容易受到水分中溶解性有害物质的影响[21], 因此发芽试验可用于考察微塑料浸出物质对植物种子萌发的影响.近年来研究者已围绕微塑料中化学物质溶出对植物生长的影响展开系列研究, 但目前其影响尚无明确定论.部分研究认为微塑料浸出液对种子的总发芽率无显著性影响[41, 42], 但可能导致种子发育异常, 如胚根粗短和扭曲[41].Menicagli等[31]的研究指出, 即使是相对较低浓度的PP和HDPE微塑料浸出液也会影响沿海沙丘植物的早期发育, 且影响程度取决于聚合物类型、浸出液浓度和植物种类.
在本研究中生菜种子的发芽势、发芽指数和活力指数等指标在PA和PE微塑料浸出液(25℃和50℃)的影响下均有所下降, 且均表现为在50℃的PE微塑料浸出液中最低(表 2), 说明这两种聚合物类型塑料所形成的微塑料浸出液均影响了生菜种子的萌发, 且高温下商品微塑料浸出液的影响相对更大.图 4的结果表明两种微塑料浸出液对生菜种子的株高、根长、鲜重和干重影响相对较小, 这可能是由于种子萌发阶段主要依靠胚乳的营养供给[43].与Balestri等[41]研究的结果相似, 本研究中生菜种子在微塑料浸出液中也存在部分发育异常, 表现为胚根短小、子叶未正常生长[图 3(b)~3(e)], 这可能与浸出液中微塑料的降解产物和添加剂的释放有关.有研究表明浸出液中微塑料的降解产物如聚烯烃(包括具有生物活性的醛和一元羧酸)对植物具有潜在危害[31, 44], 且浸提过程中释放出的添加剂如双酚A同样会影响植物的生长[21, 45].结合本研究中不同聚合物类型和不同浸提条件下微塑料浸出液对生菜种子萌发影响及差异, 后续需加强考虑微塑料对陆生植物产生的化学风险.
4 结论(1) 聚酰胺原料形成的微塑料在浸出液中可溶性碳、氮的溶出量远高于商品聚乙烯塑料制品形成的微塑料, 且其浸出液中可溶性碳、氮的溶出量随着浸提温度的升高而增加.
(2) 微塑料的聚合物类型显著影响了微塑料浸出液的紫外特性, 且商品聚乙烯塑料制品形成的微塑料在环境中老化释放的有机物要远低于聚酰胺塑料原料形成的微塑料.
(3) 聚酰胺原料和商品聚乙烯制品形成的微塑料浸出液均影响了生菜种子的萌发, 并造成了部分生菜种子胚根和子叶的发育异常, 且高温下商品聚乙烯微塑料浸出液的影响相对更大.
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