环境科学  2023, Vol. 44 Issue (9): 5080-5091   PDF    
引用本文
郭冰林, 丰晨晨, 陈悦, 林迪, 李岚涛. 聚苯乙烯微塑料对小白菜生长、生理生化及冠层温度特性的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(9): 5080-5091.
GUO Bing-lin, FENG Chen-chen, CHEN Yue, LIN Di, LI Lan-tao. Effects of Polystyrene Microplastics on Growth, Physiology, Biochemistry, and Canopy Temperature Characteristics of Chinese Cabbage Pakchoi (Brassica chinensis L.)[J]. Environmental Science, 2023, 44(9): 5080-5091.
聚苯乙烯微塑料对小白菜生长、生理生化及冠层温度特性的影响
郭冰林1, 丰晨晨1, 陈悦1, 林迪1, 李岚涛2     
1. 河南农业大学林学院, 郑州 450046;
2. 河南农业大学资源与环境学院, 郑州 450046
收稿日期: 2022-09-26; 修订日期: 2022-11-13
基金项目: 国家自然科学基金青年基金项目（41907323）；河南省科技攻关项目（222102320078）；河南农业大学青年英才基金项目（3050072630500427）
作者简介: 郭冰林(1997~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为新型污染物的生态毒性效应, E-mail: 954384176@qq.com
通信作者: 林迪, E-mail: lindi2018@henau.edu.cn
摘要: 揭示小白菜（Brassica chinensis L.）微塑料胁迫响应特征，为微塑料污染生理生态机制阐释以及微塑料污染土壤生物修复提供理论基础与实验参考.通过室内水培实验，研究不同粒径（100 nm和1000 nm）聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）胁迫对小白菜生长发育、光合生理、抗氧化酶活性、营养品质、解剖结构和冠层群体温度的影响效应.结果表明，PS-MPs（100 nm和1000 nm）胁迫均显著抑制小白菜生长发育和光合生理过程，其叶片数、株高、叶面积和生物量等表型指标以及叶绿素a（Chl-a）、叶绿素b（Chl-b）、叶绿素a+b（Chl-a+b）、类胡萝卜素（Car）和光合特性等均随PS-MPs胁迫增加而显著降低.同时，PS-MPs胁迫显著增强了小白菜氧化应激反应能力.随PS-MPs胁迫增强，叶片过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性以及丙二醛（MDA）含量均呈先升高后降低的变化趋势.PS-MPs胁迫降低了小白菜叶片厚度、海绵组织厚度和栅栏组织厚度.此外，PS-MPs胁迫显著提升了小白菜叶片植株冠层群体温度.综上，PS-MPs胁迫对小白菜生长发育及理化特性均具有明显的抑制作用和毒性损伤.
关键词: 微塑料(MPs)      小白菜      生长发育      生理特征      冠层温度     
Effects of Polystyrene Microplastics on Growth, Physiology, Biochemistry, and Canopy Temperature Characteristics of Chinese Cabbage Pakchoi (Brassica chinensis L.)
GUO Bing-lin1 , FENG Chen-chen1 , CHEN Yue1 , LIN Di1 , LI Lan-tao2     
1. College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, China;
2. College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, China
Abstract: The aim of this study was to clarify the response characteristics of Chinese cabbage pakchoi (Brassica chinensis L.) under two particle size (100 nm and 1000 nm) polystyrene microplastic (PS-MPs) stress conditions. This study can provide a theoretical basis and experimental reference for the interpretation of the physiological and ecological mechanism of microplastic pollution and the bioremediation of microplastic-contaminated soil. Hydroponic experiments were carried out to study the effects of two particle sizes (100 nm and 1000 nm) of PS-MPs on growth, photosynthetic physiology, antioxidant enzyme activities, nutritional quality, anatomical structure, and canopy temperature in Chinese cabbage pakchoi. The results showed that PS-MPs stress significantly inhibited the growth and development of Chinese cabbage pakchoi. When PS-MPs stress was increased, the phenotypic indicators were significantly reduced. Meanwhile, PS-MPs stress significantly enhanced the oxidative stress response of Chinese cabbage pakchoi, such as the activities of catalase (CAT), peroxidase (POD), superoxide dismutase (SOD), and ascorbate peroxidase (APX) and the content of malondialdehyde (MDA) in leaves. Such a change tended to decrease the thickness of fenestrated and leaf and spongy tissues. Moreover, PS-MPs stress significantly increased the canopy population temperature of the Chinese cabbage pakchoi leaves. Microplastic stress had obvious inhibitory effects and toxic damage on the growth, development, and physical and chemical properties of Chinese cabbage pakchoi.
Key words: microplastics (MPs)      Chinese cabbage pakchoi      growth and development      physiological traits      canopy temperature     

近年来, 随着塑料及其制品在工农业生产以及人们日常生活中得以广泛应用, 进入生态环境中的塑料废弃物在物理、化学及生物降解等多种因素作用下形成大量的微塑料[1].微塑料(microplastics, MPs)指尺寸小于5 mm的塑料纤维、颗粒和碎片等, 具有粒径小、质量轻、强疏水性、耐腐蚀和难降解等特点[2].MPs易于在海洋、河流和湖泊中随水循环及空气中大气环流长距离迁移, 在土壤生态环境系统中广泛并长期存在.有研究表明, MPs进入土壤后不仅可直接改变土壤物理结构, 还因其携带的传统污染物可显著影响土壤生物化学性质[3].此外, 土壤中的MPs被植物吸收后, 不但影响植物正常生长发育, 而且随植物进入营养链作为食物被人体摄入, 对人体健康和生态环境构成较大危害风险[4].因此, 系统探究MPs胁迫对植物生长发育及理化特性影响效应, 对保护生态环境及人类身体健康具有重大意义[5].

目前, MPs被认定为“一类新型环境污染物”并逐渐引起了越来越多专家学者的关注和重视[6].从来源上看, 土壤中MPs来源途径主要有3种：①土壤中的塑料薄膜在光照及微生物作用下降解残留的塑料颗粒; ②污水处理过程中较大的塑料颗粒沉降在污泥中, 部分较小的MPs, 特别是微米或纳米塑料因体积小无法被过滤, 最后随净化水灌溉到农田里, 而污泥又被作为肥料和有机肥一起施于田中; ③ MPs随地表水流浸入土地、大气中的MPs随雨水沉降以及填埋场塑料垃圾的渗流等[7].有研究发现, MPs经土壤进入植物体后会引起一系列生态毒理学效应, 如细胞毒性、氧化应激响应和行为异常等, 严重时甚至造成植物死亡[8].另有研究认为, MPs对植物叶片叶绿素含量、生物量、可溶性蛋白质和光合作用等理化参数具有显著抑制效应[9, 10].张晨等[11]研究认为, MPs对不同植物的株高有显著影响, 如黑藻在受到不同浓度聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)胁迫后株高显著低于对照株, 而黄瓜在PS-MPs胁迫后株高明显低于对照[12].

目前, 自然生态环境中MPs存在的种类、浓度和粒径大小等各不相同, 对植物生长发育影响效应尚无一致定论.小白菜(Brassica chinensis L.)作为鲜食绿叶蔬菜, 鲜嫩口感好且热量低, 备受消费者青睐, 在全国各地均有广泛种植.如何减少小白菜等蔬菜产品中MPs污染效应, 控制MPs向食物链迁移, 保障农产品质量安全成为了一个重要科学问题, 也是一个亟待解决的技术难题.不同于其他植物, 有关小白菜等蔬菜中MPs胁迫的研究则相对较少, 其响应MPs胁迫生理生态机制仍不明晰; 此外, 不同MPs胁迫下小白菜生长发育、营养品质和光温响应特性仍待深入研究明确.因此, 深入开展MPs对植物生长发育及理化特性影响效应研究, 对保护生态环境及人类身体健康具有重大意义.基于此, 本文以小白菜为研究对象, 以聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)为供试材料, 利用室内水培实验, 系统分析了两种粒径(100 nm和1 000 nm)PS-MPs对小白菜生长发育、光合生理、抗氧化酶活性、营养品质、叶片解剖结构和冠层温度变化规律与应激响应特征, 以期为揭示小白菜MPs毒理学研究提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 实验材料与方法

供试小白菜(Brassica chinensis L.)为市场上常见和广泛种植的代表性品种“五月慢”, 购自上海申耕农业发展有限公司.该品种全生育期150 d左右, 适应性强, 品质好, 株型高大, 株高30 cm, 开展度30 cm, 单株重500 g左右, 亩产高达4 000 kg, 在中国全国范围均可种植.

水培实验于河南农业大学水培实验室进行.选取籽粒饱满和大小均一的小白菜种子, 先用15% H2O2浸泡15 min, 再用蒸馏水完全洗净后放入30℃左右的温水中浸泡20 min, 而后均匀放入装有少量水的专用育苗盘内, 置于25℃恒温培养箱暗培养120 h后转入人工气候室.待小白菜长至两叶一心时, 选取长势一致幼苗移植到1/8霍格兰(Hoagland's)营养液的黑色塑料盒中进行培养.塑料盒上盖有带均匀小圆孔的黑色泡沫塑料板, 将小白菜幼苗用海绵固定于小圆孔内.每间隔3 d, 随小白菜幼苗长势增大, 逐步将营养液浓度调整为1/4、1/2和全量霍格兰浓度.水培实验均在人工气候室进行, 昼夜时间16 h/8 h, 昼夜温度均保持为20℃, 相对湿度为55%~65%.

待小白菜第3片心叶完全展开时, 浇灌添加2种粒径(100 nm、1 000 nm)和不同浓度(0、0.01、0.1、1、10、20 mg·L-1) PS-MPs的霍格兰营养液.使PS-MPs胁迫为低(0.01 mg·L-1和0.1 mg·L-1)、中(1 mg·L-1)和高(10 mg·L-1和20 mg·L-1) 这3个等级.每3 d更换一次营养液, 同时控制营养液的pH值在6.0左右(图 1).每个处理分别设5个重复.

图 1 不同PS-MPs胁迫下小白菜生长发育情况 Fig. 1 Growth and development of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

1.2 数据采集与分析 1.2.1 表型生长指标测定

分别于小白菜四叶期、六叶期和八叶期, 使用直尺(精确到0.1 cm)测量小白菜株高; 利用数码相机拍照法无损测试叶面积[13].将小白菜地上部和根称重后, 置于105℃烘箱中杀青30 min, 然后降温至70℃烘干至恒重, 称其干重.

1.2.2 叶片光合指标测定

分别于小白菜上述生育期, 采用LI-6400光合测定系统对其第一片完全展开叶中部进行净光合速率(Photosynthetic rate, Pn)、气孔导度(Stomatal conductance, Gs)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2 concentration, Ci)和蒸腾速率(Transpiration rate, Tr)等光合指标测定.光强设为1 200 μmol·(m2·s)-1, 使用CO2缓冲气瓶保证气流稳定.

1.2.3 叶片叶绿素含量测定

分别于小白菜上述生育期, 各处理选取同第3片完全展开叶(自上而下), 采用丙酮浸提、分光光度法测试叶片叶绿素含量(Chl-a、Chl-b和Car)[14].

1.2.4 抗氧化酶活性测定

于上述各生育期采集小白菜完全展开叶叶片.分别采用碘量法测试过氧化氢酶(catalase, CAT)活性、氮蓝四唑光还原法测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性、愈创木酚法测定过氧化物酶(peroxidase, POD)活性和硫代巴比妥酸法测丙二醛(malonic dialdehyde, MDA)活性[15].

1.2.5 叶片解剖结构测定

于各生育期选取小白菜第一片完全展开叶, 在距离主叶脉0.5 cm左右处剪取1 cm×3 cm大小叶片, 固定包埋后制成叶片横切片, 甲苯胺蓝染色, 在OLYMPUS BH2型植物显微成像分析系统选取5个视野清晰的位置拍摄, 拍摄倍数为200倍.利用Image-Pro Plus 6.0专业图像分析软件测量叶片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度等叶片解剖指标, 分析探究PS-MPs胁迫对小白菜叶片解剖结构影响效应.

1.2.6 植物热成像指标测定

为深入研究PS-MPs胁迫对小白菜植株光温生长发育影响特性, 在光合速率测试基础上, 采用Fluke TiX650型红外热成像仪测试其不同PS-MPs胁迫处理下植株冠层温度.该仪器空间分辨率为0.8 mrad.拍摄时红外相机固定在小白菜植株上方约1.0 m高度, 45°观察角俯视拍摄.每个重复拍摄4张照片, 采用SmartView专业软件对小白菜冠层温度进行计算分析.

1.3 数据分析

基础数据输入和分析采用Excel 2007软件进行; 方差分析采用SPSS 25.0进行; 利用Oringin 2018软件作图.

2 结果与分析 2.1 PS-MPs胁迫对小白菜表型生长指标的影响

不同PS-MPs胁迫对小白菜不同生育期株高、叶面积、叶鲜重和根鲜重等表型指标胁迫效应如图 2所示.结果表明, 100 nm PS-MPs对小白菜各生育期胁迫效应表现为中、低胁迫(0~1 mg·L-1)时株高、叶面积、叶鲜重和根鲜重逐步增强; 10~20 mg·L-1PS-MPs胁迫下株高、叶面积、叶鲜重和根鲜重均显著低于对照处理.当100 nm PS-MPs胁迫为1 mg·L-1时, 小白菜各生育期株高、叶面积、叶鲜重和根鲜重均达到最大值.对于1 000 nm PS-MPs而言, 随胁迫增加, 小白菜株高、叶面积、叶鲜重和根鲜重均呈降低趋势, 且随生育期推进, 其抑制效应有所缓解.以四叶期和八叶期为例, 20 mg·L-1PS-MPs处理小白菜株高、叶面积、叶鲜重和根鲜重分别降低28%、20%、49%、62%和12%、8%、33%和38%. 与100 nm PS-MPs相比, 1 000 nm PS-MPs表现出更强的生长抑制作用, 且1 000 nm PS-MPs胁迫越高, 危害越严重.

相对值表示各处理相对于0 mg·L-1的变化 图 2 不同PS-MPs胁迫对小白菜表型生长指标的影响 Fig. 2 Growth characteristics of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

2.2 PS-MPs胁迫对小白菜叶绿素含量的影响

不同PS-MPs胁迫对小白菜叶绿素含量的影响不同(表 1).随PS-MPs胁迫增加, 100 nm PS-MPs对小白菜叶片叶绿素含量具有较低的抑制作用, 以四叶期为例, Chl-a、Chl-b、Chl-a+b和Car含量均呈先升高后降低趋势变化, 至1 mg·L-1时达最大值, 分别为对照的28%、52%、33%和62%. 且胁迫达20 mg·L-1时, PS-MPs对小白菜的Chl-a+b含量抑制最大.六叶期和八叶期时, PS-MPs对小白菜的叶绿素含量无明显影响.1 000 nm PS-MPs胁迫下, 以四叶期为例, 小白菜叶片Chl-a、Chl-b、Chl-a+b和Car含量同样呈先升高后降低趋势变化, 且在1 mg·L-1时分别达到最大值, 与对照相比, 各上升了14%、19%、15%和44%. 当胁迫达20 mg·L-1时, PS-MPs对小白菜的叶绿素含量抑制最大无明显影响.

表 1 不同PS-MPs胁迫对小白菜叶片叶绿素含量的影响1) Table 1 Chlorophyll content of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

2.3 PS-MPs胁迫对小白菜光合特性的影响

随PS-MPs胁迫增加, 不同PS-MPs胁迫对小白菜各生育期叶片Pn、Ci、Gs和Tr指标均呈先升高后下降趋势变化, 至PS-MPs为0.1 mg·L-1时达到峰值(表 2).与对照(0 mg·L-1)相比, 不同PS-MPs胁迫在中、低程度(0~1 mg·L-1)时明显促进植物光合速率的增加, 并在0.1~1 mg·L-1范围达光合作用最大值.当PS-MPs胁迫为20 mg·L-1时, 100 nm下Pn、Ci、Gs和Tr明显降低.以四叶期为例, 上述光合指标分别下降19%、7%、37%和40%. 相对应1 000 nm PS-MPs胁迫的小白菜叶片光合作用各指标分别下降16%、2%、22%和12%.

表 2 不同PS-MPs胁迫对小白菜叶片光合特性的影响 Table 2 Photosynthetic characteristics of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

2.4 PS-MPs胁迫对小白菜抗氧化酶活性的影响

图 3为不同PS-MPs胁迫对小白菜叶片SOD、POD、CAT活性和MDA含量的影响效应.结果表明, 小白菜叶片SOD、POD和CAT活性均随胁迫增大呈先升高后下降趋势, 而MDA含量则随PS-MPs胁迫增大而逐渐升高.与对照相比, 不同PS-MPs胁迫在中、低程度(0~0.1 mg·L-1)时明显促进植物酶抗活性的增加, 且在0.1 mg·L-1时SOD和POD活性最强, 1 mg·L-1时CAT活性最大.当PS-MPs胁迫为20 mg·L-1时, 100 nm PS-MPs胁迫POD和CAT活性明显降低.MDA含量则随胁迫增加而逐渐升高, 与对照相比, 不同PS-MPs胁迫对小白菜MDA含量平均值增幅分别为32%和41%(以八叶期为例).综上, 不同PS-MPs胁迫对小白菜叶片酶抗活性的影响表现为中、低程度(0~1 mg·L-1)增强小白菜叶片酶抗活性; 高程度(10~20 mg·L-1)1 000 nm PS-MPs对小白菜叶片酶抗系统无明显效应, 而100 nm PS-MPs使其酶抗系统显著变化, 表明植物酶抗系统受到激活, 对小白菜叶片存在明显的毒害效应.

图 3 不同PS-MPs胁迫对小白菜叶片抗氧化酶活性的影响 Fig. 3 Activities of antioxidant enzymes of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

2.5 PS-MPs胁迫对小白菜叶片解剖结构的影响

PS-MPs胁迫显著影响小白菜叶片解剖结构特征(表 3).随PS-MPs胁迫增加, 小白菜各生育期叶片厚度、海绵组织厚度和栅栏组织厚度均呈先升高后下降趋势.与对照相比, 不同PS-MPs胁迫在中、低程度时(0.1~1 mg·L-1)促进小白菜叶片、海绵组织、栅栏组织增加, 其平均厚度分别为309.4 μm、130.3 μm、126.2 μm(100 nm)和242.3 μm、111.0 μm、120.1 μm(1 000 nm), 并在0.1~1 mg·L-1处达解剖结构最大值.当不同PS-MPs胁迫为10~20 mg·L-1时, 小白菜解剖结构较对照显著下降, 小白菜叶片、海绵组织、栅栏组织平均厚度分别为261.7 μm、107.6 μm和102.9 μm(100 nm), 223.0 μm、100.1 μm和113 μm(1 000 nm), 且随着生育期的推进, 不同PS-MPs胁迫的小白菜叶片解剖结构抑制有所缓和.此外, 小白菜栅海比(P/S)、叶肉组织紧密度(P/L)和叶肉组织疏松度(S/L)数值随PS-MPs胁迫变化不显著.

表 3 不同PS-MPs胁迫对小白菜叶片解剖特征的影响 Table 3 Leaf quantitative anatomical characteristics of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

2.6 PS-MPs胁迫对小白菜叶片冠层温度特征的影响

不同PS-MPs胁迫对小白菜冠层温度影响结果如表 4和图 4所示.随PS-MPs胁迫增加, 小白菜各生育期冠层最高温、最低温和平均温均呈先下降后升高趋势变化.与其100 nm PS-MPs胁迫相比, 1 000 nm随胁迫变化不显著.且随着生育期推进, 100 nm PS-MPs胁迫的小白菜冠层温度不断升高, 而1 000 nm小白菜冠层温度各生长期基本保持不变.此外, 与对照相比, 100 nm PS-MPs在中、低胁迫(0~1 mg·L-1)时小白菜冠层温度不断下降, 其平均降幅分别为2.0%、6.0%和4.2%, 并在0.1~1 mg·L-1处达冠层最小值.当胁迫为10~20 mg·L-1时, 100 nm PS-MPs胁迫的小白菜冠层温度较对照显著上升, 上述指标分别平均上升1.9%、3.3%和2.7%. 而1 000 nm随胁迫温度变化不显著.

表 4 不同PS-MPs胁迫对小白菜冠层温度特征影响 Table 4 Canopy temperature characteristics of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

暖色(红色和黄色)表示温度高, 冷色(蓝色)调表示温度低; 数值单位为℃ 图 4 不同PS-MPs胁迫对小白菜冠层温度影响效应 Fig. 4 Photographs of canopy temperature features of Chinese cabbage pakchoi under different PS-MPs stress conditions

3 讨论

MPs作为新型污染物, 对生态环境存在较大风险.有研究表明, MPs对植物生长发育、应激响应、品质、光合效应和叶片结构等理化指标均有显著影响[6, 9].另有研究认为, 不同MPs胁迫对植物影响效应不同[11].廖苑辰等[4]研究认为, 粒径为5 μm MPs对植物生长影响较大, 而100 nm MPs对植物生长的影响效应则较小.张彦等[3]研究指出, 1 000 μm MPs对小麦种子的发芽率、发芽抑制率和生长特征等指标数值影响均大于150 μm粒径的MPs.不同MPs胁迫对很多植物生长的影响表现为低促高抑, 即低浓度MPs一般不会影响植物的生长发育, 甚至还会起到促进种子萌发和幼苗生长的作用[6], 而在高浓度MPs的胁迫下, 则会降低种子发芽率, 甚至对幼苗正常生长产生抑制作用[16].如低中浓度MPs对玉米无显著影响, 高浓度MPs会降低玉米生物量[5].本实验结果显示, 100 nm PS-MPs在低中胁迫时对小白菜幼苗的生长发育起促进作用, 高胁迫时对小白菜幼苗的生长发育起抑制作用, 1 000 nm PS-MPs随着胁迫增加对小白菜幼苗的生长发育一直起抑制作用.

从机制上讲, 暴露于土壤环境中的MPs首先与植物根系接触, 小粒径MPs可通过细胞间隙穿过皮层进入中柱, 向地上部运输, 影响植物生长及生理特征; 而大粒径MPs(微米级以上)则不能直接进入植物体内[8].但随MPs胁迫提升, 相互吸附发生团聚, 产生浓度聚集效应, 吸附于根系表面[17].此外, 一些小粒径MPs被植物根系吸收后, 在高胁迫条件下容易堵塞细胞壁孔洞[10], 共同阻碍根系对养分、水分的吸收和转运, 降低蒸腾作用, 叶片温度上升, 导致热胁迫, 阻碍植物生长[18].同时, MPs对N、P和K等离子吸附会导致植物离子体失衡, 阻碍植物叶绿素的合成, 继而降低植物光合速率[19~21].有研究指出, 聚乙烯会降低莴苣植株的光合速率、气孔导度、瞬时蒸腾速率、荧光参数、叶片叶绿素含量和Rubisco活性等参数, 这也是植株叶绿素合成减少及光合速率下降的主要原因[22~24].本实验结果表明, 随PS-MPs胁迫增加, 小白菜叶片光合参数均先上升后下降, 且生育后期胁迫效应大于前期, 即：八叶期>六叶期>四叶期.此外, 100 nm PS-MPs处理在0.1 mg·L-1时各生长期净光合速率达到最大值, 1 000 nm PS-MPs处理在1 mg·L-1时各生长期净光合速率达到最大值. 100 nm PS-MPs比1 000 nm在更低胁迫水平(0.1 mg·L-1)促进更大, 这可能是因为不同粒径基础下的浓度效应不同所导致[25].此现象与Zhang等[26]研究的结果高度相似.有研究发现, 较大尺寸的MPs通过阻断光传输和影响光合作用而产生不利影响, 而较小尺寸的MPs则通过吸附在藻类表面而破坏细胞壁.这也是导致不同粒径对植物光合产生影响的原因之一[27].

有研究表明, 植物应对外源因子胁迫具有完善的自我调节功能, 而抗氧化防御体系是植物调节细胞代谢平衡的重要屏障[28].当植物受到环境胁迫(病虫害、干旱、低温、强光和污染物等)时, 细胞内产生大量的ROS, 如超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟基(OH-)和臭氧(O3)等, 破坏植物体内的细胞膜、蛋白质和DNA, 造成细胞伤害[29~32].ROS对细胞膜的破坏主要是通过对膜脂的过氧化过程来完成, 不仅导致细胞膜结构和功能的破坏, 而且其终产物MDA可与蛋白质结合致其失去活性, 造成二次伤害; 少量的ROS作为信号分子引导植物对外界胁迫(如重金属)产生应激响应, 植物体内的抗氧化酶被诱导活性加快, SOD将O2-歧化为H2O2, 过氧化物酶(POD、CAT和APX等)将H2O2还原为O2和H2O[33, 34].此外, 为避免SOD消除O2-过程中产生的中间产物对植物体造成氧化损伤, APX-DHAR-MDHAR(APX抗坏血酸过氧化物酶、DHAR脱氢抗坏血酸还原酶、MDHAR单脱氢抗坏血酸还原酶)循环发挥重要作用.即它作为抗氧化系统中的重要组成部分, 可以通过调节中间产物水平来维持植物体内适当的氧化还原状态[35].有研究指出, POD、SOD存在于细胞质和叶绿体中, 在维持蛋白质的稳定和生物膜的结构完整性方面也发挥着重要作用, 并能有效防止膜脂过氧化[36, 37].有研究发现, 在MPs胁迫作用下, 微藻体内的SOD活性及含量明显增加, 表明微藻细胞内部产生了应激反应[38, 39].另外, 有研究表明MPs对膜脂过氧化物MDA含量造成一定程度的影响[16].本研究结果表明, 1 000 nm PS-MPs对小白菜的生长影响较小不显著; 低胁迫下100 nm PS-MPs诱导了小白菜体内SOD、POD和CAT活性的上升, 高胁迫100 nm PS-MPs小白菜抗氧化酶活性受到抑制; 小白菜体内MDA含量随着PS-MPs胁迫的增加而升高.与张晨等[11]研究的PS-MPs处理下, 黑藻体内SOD、CAT和POD活性均随胁迫的增加呈先上升后下降趋势的研究结果近似.这可能是因为在胁迫低时受PS-MPs胁迫小白菜的应激反应诱导了抗氧化酶活性的增加, 而随着PS-MPs胁迫的增加, 小白菜机体又对过强的抗氧化酶活性产生了应激抑制作用.而小白菜体内MDA含量随着PS-MPs胁迫的增强而升高, 说明了MPs胁迫下对小白菜机体的危害性也随着胁迫的增加而加大.此外, 较小的尺寸并不一定意味着更大的毒性, 除八叶期外, 100 nm PS-MPs处理在0.1 mg·L-1时, 抗氧化酶活性最强, 而1000 nm PS-MPs处理在1 mg·L-1时, 抗氧化酶活性最大, 且随着胁迫增加抗氧化酶活性下降, 1 000 nm PS-MPs对小白菜比100 nm微塑料表现出不同粒径基础上浓度差异副作用, 改观了人们以往关于微塑料植物毒性的理解, 并挑战了传统上认为较小的微塑料毒性更大的看法.该研究结果与Wu等[40]相似.

叶片不仅是植物与外界进行物质交互的重要场所, 更是植物进行光合作用、蒸腾作用、呼吸作用的主要器官.有研究表明[41~44], 外部环境胁迫会改变植物叶片形态特征和解剖结构.如随盐分胁迫增加, 叶片数量、叶面积和相对含水量均显著降低, 叶片厚度和叶肉细胞间隙逐渐增大, 细胞排列放松, 主脉维管束面积缩小.植物叶片形态特征和解剖结构(栅栏组织、海绵组织和气孔)等直接影响到叶片的光合、蒸腾和呼吸作用等功能[45].邱毅敏等[46]研究表明, 叶片栅栏组织厚度和组织结构疏松度是影响耐热性的主要叶片解剖结构性状, 而叶片厚度、海绵组织厚度、栅海比、上下表皮细胞厚度和组织结构疏松度与植株耐热性的关系不大.柱状的栅栏组织细胞具有光线通道的作用, 将光线传播到叶肉深层; 球状的海绵组织排列不规则, 可增加内部光散射, 从而提高光吸收率; 叶脉系统是叶片运输水分的主要通道, 叶表皮上的气孔控制叶片与外界的水气交换; 栅栏组织和海绵组织等结构特征对叶片水分传导能力也会产生重要影响[47].有研究表明, 当植物受干旱胁迫时, 随着干旱程度的加重叶片厚度呈现逐渐减小的显著趋势; 上表皮厚度随胁迫加重逐渐减小; 栅栏组织和海绵组织的厚度均随胁迫加重而减小; 受到干旱胁迫后叶片的栅栏组织同海绵组织的比值均大于对照组; 干旱胁迫下, 绢毛委陵菜叶绿素含量随着干旱胁迫的加重持续下降[48].叶绿素的下降说明光合作用的减弱, 这与栅栏组织变薄叶片捕光能力减弱相呼应[49]; 栅栏组织同海绵组织的比值均大于对照组, 这与前人研究的叶片栅栏组织与海绵组织比越大, 抗旱能力越强的理论一致[50]; 也与栅栏组织厚度与平均日耗水量呈正相关关系, 而栅栏海绵组织厚度与平均日耗水量呈负相关关系[51]的理论相吻合.本实验结果表明, 高胁迫PS-MPs情况下, 同一生长时期的小白菜叶片厚度、海绵组织厚度与对照相比明显下降, 栅栏组织厚度显著增加, 这说明高胁迫PS-MPs时, 叶片会表现出一定的抗性, 会消耗海绵组织内的水分, 并通过栅栏组织细胞进行光合作用, 以此抵御PS-MPs的胁迫.

4 结论

(1) 100 nm PS-MPs胁迫下, 低胁迫(0~1 mg·L-1)可提高小白菜株高、叶面积、根鲜重和叶鲜重等表型生长指标, 高胁迫(10~20 mg·L-1)则显著抑制小白菜生长; 而1 000 nm PS-MPs胁迫下, 小白菜生长发育指标则随浓度升高而不断下降.

(2) 低胁迫(0~1 mg·L-1)100 nm PS-MPs主要通过提高根系对营养和水分的吸收, 进而对小白菜的生长起到促进作用.而高胁迫(10~20 mg·L-1)100 nm PS-MPs通过堵塞根系, 减少了根系对水分和营养的吸收, 导致植物体内离子失衡, 活性氧暴发, 进而对小白菜生长起到抑制作用.

(3) 不同PS-MPs胁迫可显著改变小白菜叶片中MDA含量, 而CAT、SOD和APX活性在PS-MPs作用下显著变化, 表明小白菜叶片的抗氧化系统受到了PS-MPs的干扰.

(4) PS-MPs导致小白菜叶片解剖结构和冠层温度发生显著差异, 高胁迫(10~20 mg·L-1)下效应更为显著; 100 nm PS-MPs能够引起小白菜叶片厚度下调和冠层温度升高.

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