可降解微塑料对土壤性质及五彩椒生长发育的影响

Effects of biodegradable microplastics on soil properties and growth of bell peppers

摘要

将聚丁二酸丁二醇酯（polybutylene succinate，PBS）、聚烃基丁酸酯（polyhydroxybutyrate， PHB）、聚乳酸（polylactic acid， PLA）3种微塑料与土壤分别按质量分数为0.2%、1.0%、5.0%的添加量均匀混合进行盆栽试验，研究微塑料对辣椒生长情况以及土壤有效磷、过氧化氢酶的影响。结果表明：质量分数为5.0%的PHB与PBS处理对辣椒生长有显著的抑制作用，且随着质量分数增加对辣椒生长的抑制作用增强；0.2%的PBS和PHB以及PLA处理对过氧化氢酶含量的影响较小，而1.0%和5.0%的PBS和PHB处理均显著降低了土壤过氧化氢酶含量；PHB和PBS处理均抑制辣椒对有效磷的吸收，且随着微塑料质量分数增加抑制作用增强，其中PHB的影响大于PBS，而1%PLA则促进了辣椒对有效磷的吸收。可见，添加微塑料会影响辣椒的生长发育，并影响土壤健康。

Abstract

A pot experiment was conducted to study the effects of three types of microplastics—polybutylene succinate （PBS）， polyhydroxybutyrate （PHB）， and polylactic acid （PLA）—when mixed with soil at mass fractions of 0.2%， 1.0%， and 5.0%. The aim was to investigate the effects of microplastics on the growth of peppers as well as the soil’s effective phosphorus and catalase activity. The results showed that the 5.0% treatments of PHB and PBS significantly inhibited the growth of peppers， with the inhibition increasing with the mass fraction. The 0.2% treatments of PBS and PHB as well as PLA had little effect on catalase activity， while the 1.0% and 5.0% treatments of PBS and PHB significantly reduced the catalase activity in the soil. Both PHB and PBS treatments inhibited the peppers’ absorption of effective phosphorus， with the inhibition increasing as the microplastic mass fraction increased； the effect of PHB was greater than that of PBS， while the 1% PLA promoted the peppers’ absorption of effective phosphorus. It is evident that the addition of microplastics affects the growth and development of chili peppers and impacts soil health.

Graphical abstract

关键词

可降解微塑料 / 叶绿素 / 类胡萝卜素 / 过氧化氢酶 / 凋落物分解率

Key words

biodegradable microplastics / chlorophyll / carotenoids / catalase / litter decomposition rate

微塑料通常是指直径小于5 nm的塑料小颗粒，土壤中（微）塑料的污染十分普遍，主要由地膜的大量使用和废弃物的循环利用等途径进入^[1]。近年来，随着塑料制品的大规模使用，全球土壤环境中微塑料丰度逐渐提高^[2]。这些微塑料不仅会吸附各种污染物使其富集从而影响生态系统的平衡与稳定，而且微塑料本身也含有各种添加剂，会对环境造成污染^[3]。可降解塑料是指在自然环境条件下能降解成对环境无害的物质的塑料，受其自身性质和结构以及降解条件的影响，可降解塑料会更快形成可降解微塑料和不可降解微塑料并在环境中积累^[4]。

土壤酶活性代表微生物群落的总体活性和微生物摄取底物的有效性，而过氧化氢酶是土壤中一种重要的氧化还原酶，过氧化氢酶的作用在于破坏对生物体有毒的过氧化氢^[5]。杨雅杰等^[6]发现聚苯乙烯（polystyrene，PS）微塑料的添加使菘蓝的过氧化氢酶活性升高，且微塑料浓度越高，影响越大。微塑料对植物的生长及生理过程有一定影响，如段冰冰等^[7]发现聚丙烯（polypropylene，PP）微塑料联合镉污染处理显著降低了玉米的鲜质量和干质量；郭冰林等^[8]发现PS微塑料（100和1 000 nm）胁迫均显著抑制小白菜的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、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素和光合特性等均随着PS微塑料胁迫增强而显著降低。刘晓红等^[9]研究发现，聚乙烯（polyethylene，PE）会抑制黄瓜的生长和萌发，且抑制作用会随着微塑料浓度升高而增强。Hasan等^[10]发现，PE导致莴苣根质量大幅降低，而聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）对枝部质量的影响最大；而与PVC相比，低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）对根质量和叶绿素含量的抑制作用更强。Zhang等^[11]发现与PVC和聚酰胺（polyamide，PA）相比，对微藻生长的抑制作用最为显著且PE处理下的叶绿素a/b比极低。Gao等^[12]将水菠菜暴露于PS微塑料质量浓度为低（0.5 mg·L^-1）、中（5 mg·L^-1）和高（10 mg·L^-1）水平下，发现高质量浓度的PS处理对水菠菜的生长参数产生明显的抑制作用，包括鲜质量、根长和枝条长度。Guo等^[13]研究发现，抗生素和微塑料并存会显著降低小麦的生物量和高度，提高小麦叶片类胡萝卜素含量和过氧化物酶活性。

辣椒是我国重要的茄科作物，其种植面积和产量均居世界前列^[14]。鉴于土壤微塑料污染对农业生态系统的潜在威胁，为系统解析聚丁二酸丁二醇酯（polybutylene succinate，PBS）、聚烃基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）3 种不同种类微塑料对辣椒生长指标及光合色素的影响规律，揭示微塑料污染对土壤有效磷含量、过氧化氢酶活性及凋落物分解过程的调控效应，本试验开展盆栽模拟，以期深化微塑料污染对蔬菜作物生理机制的影响研究，为农田生态系统健康评估、可降解地膜的合理使用及农业面源污染防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤取自云南昭通市昭阳区农用地。土壤质地介于砂质土与壤土之间，颜色为浅棕色。土壤取回后自然风干，用2 mm筛子进行筛分，去除较大颗粒和动植物残体。

1.1.2 供试塑料

选用可降解塑料：PBS（购自企业：东莞市樟木头苏展塑胶经营部，粒径：200目）、PHB（购自企业：东莞市诚鑫塑胶经营部，粒径：200目）和PLA（购自企业：东莞市樟木头安禾塑胶原料商行，粒径：200目）。

1.1.3 供试植物

供试辣椒品种为五彩甜椒（生产厂家：沈阳强丰种业有限公司）。移栽时，辣椒植株处于幼苗发育阶段，已长出4 片形态、功能与子叶存在明显差异的真叶。

1.1.4 试验设计

将3 种微塑料按照表1中的添加量与土壤进行混合，添加微塑料与土壤总质量10.0 kg，多次搅拌使其混合均匀，均分为3 份并转移到花盆（高19 cm、长15 cm、宽15 cm）中。共设置10 个微塑料质量分数，每个质量分数设置3 次重复，共30 个处理。

将混合好的土壤在黑暗条件下平衡7 d，测定土壤有效磷含量。

将长势相同的辣椒幼苗于3月中旬进行移栽，栽种至6月中旬收获。移栽后在室内培养，培养过程中定期浇水补充土壤水分，保证土壤含水量维持在10%~20%，温度20~28 ℃，光照每天持续约12 h，保持通风。观察记录植株的生长情况，并进行指标测定^[15-17]。

选取大小相近的辣椒叶片（成熟真叶）洗净晾干用于分解试验。将洗净后的叶片放入75 ℃烘箱中烘干，烘干后用剪刀剪成2~3 cm长的碎片，称取1.50 g辣椒叶碎片装入尼龙茶包（10 cm×15 cm，350 µm孔径）后密封。记录编号后置于供试土中，用于凋落物分解试验^[18]，处理时间为60 d。

1.2 测定指标及方法

测定指标及方法见表2。

1.3 数据处理与分析

试验测定的指标均以平均值±标准偏差（mean±SD）表示。采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并利用Duncan多重比较检验（P<0.05）分析不同处理间各指标的差异显著性。图表采用Origin 2021软件绘制。

2 结果与分析

2.1 辣椒生长状况及指标测定时间

辣椒培育84 d后，测量植株的株高、茎直径、鲜质量和干质量，取大小近似的成熟真叶测定植株叶绿素含量和类胡萝卜素含量，在植株根部附近按五点取样法取适量土壤测定各处理的土壤有效磷含量和过氧化氢酶含量。此时0.2% PHB、0.2% PBS、1.0% PBS、0.2% PLA、1.0% PLA、5.0% PLA各处理及CK的辣椒生长态势良好，植株叶片数量多，叶色呈现鲜绿色，辣椒进入开花盛期，所有花朵均已开放，且花朵数量多；1.0% PHB和5.0% PBS的辣椒生长情况相对较差，叶片数量较少，叶色维持在健康状态，已出现花蕾，但尚未进入开花阶段；5.0% PHB的辣椒生长状况差，叶片稀少，叶色泛黄，未出现花蕾。

2.2 3种微塑料对土壤过氧化氢酶的影响

过氧化氢作为一种氧化性物质对植物健康有重要作用，浓度过高和过低均会对植物产生不利影响，土壤过氧化氢酶促进过氧化氢的分解，能有效防止土壤及生物体在新陈代谢过程中产生的过氧化氢对其的毒害作用^[19]。由图1可知，0.2% PBS、1.0% PLA和5.0% PLA的w（过氧化氢酶）与CK的差异无统计学意义，5.0% PBS的w（过氧化氢酶）与CK相差最大，5.0% PHB次之。随着微塑料添加量增加，PBS、PHB和PLA的w（过氧化氢酶）均逐渐降低，与CK组相比，1.0% PBS、1.0% PHB、5.0% PBS、5.0% PHB均表现为w（过氧化氢酶）降低，其中5.0% PBS的效果最明显，5.0 %PHB次之。这说明PHB和PBS微塑料抑制了过氧化氢酶活性，且随着其质量分数增加抑制效果增强。这与韩冰等^[20]报道的不同微塑料以及抗生素处理均能显著降低土壤过氧化氢酶活性的结果相符。此外，梁榕等^[21]也发现，当微塑料粒径<150 μm时，不同质量分数的微塑料处理均能显著提高土壤过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性，说明微塑料对土壤酶活性的影响具有复杂性，可能与微塑料的种类、浓度、粒径等因素有关。

2.3 3种微塑料对辣椒叶片分解率的影响

植物凋落物在土壤有机质形成过程中扮演重要角色，在局域尺度上其分解速率与土壤生境密切相关，不同土壤基质下的凋落物分解快慢不同，进而影响土壤碳周转及养分利用效率^[22]、影响土壤过氧化氢酶活性^[23]，是衡量生态系统物质循环和能量流动的重要指标。由图2可知，PBS和PHB均表现为随着微塑料添加量增加，凋落物分解率逐渐下降，与CK相比PBS和PHB均对凋落物分解表现出抑制作用，且相同质量分数下PHB的抑制效果强于PBS，其中5.0% PHB对凋落物分解的抑制效果最强，5.0% PBS次之；而PLA则不同，1.0% PLA的凋落物分解率最高，5.0% PLA次之。这说明PHB和PBS微塑料均抑制了凋落物分解，且PHB的抑制效果强于PBS。这一结果与简敏菲等^[24]的研究结果相符，他们发现在模拟湿地土壤微塑料暴露下，藓类植物的凋落物分解率受到显著影响，且呈先升后降趋势，说明微塑料对凋落物分解过程具有复杂的调控作用，这可能与微塑料对土壤微生物群落和酶活性的影响有关。

2.4 3种微塑料对辣椒有效磷的影响

土壤磷是参与生态系统物质循环的重要元素，影响植物对氮的固定和土壤对碳的储存，土壤有效磷变化与土壤类型、pH和有机质含量等土壤属性有关^[25]。由表3可知，所有处理的w（有效磷）均降低，CK降低了58%，5.0% PHB降低了31%，1.0% PHB降低了40%，0.2% PHB降低了55%，5.0% PBS降低了40%，1.0% PBS降低了53%，0.2% PBS降低了58%，5.0% PLA降低了51%，1.0% PLA降低了63%，0.2% PLA降低了52%。随着PBS和PHB微塑料添加量增加，辣椒对土壤有效磷的吸收利用率降低，整体看PHB低于PBS，且5.0% PHB的有效磷利用率最低，而PLA的添加对辣椒吸收利用有效磷的影响较小。

这与当前研究中的一些观点相符，如土壤中微塑料的存在会影响土壤的理化性质和养分循环，进而影响植物对养分的吸收。例如，牛佳瑞等^[26]发现PS微塑料联合镉污染显著降低了土壤有效磷含量。这与试验中PHB和PBS对土壤有效磷的抑制作用类似。

2.5 3种微塑料对辣椒生长情况的影响

由图3可知，不同质量分数PHB和PBS处理的辣椒鲜质量、干质量以及茎直径和株高的增长值均低于CK，对辣椒生长有显著的抑制作用，且随着PHB和PBS质量分数增加，对辣椒生长的抑制作用增强，抑制作用最强的为5.0% PHB。这与当前研究中的一些结果相符。例如，韩锋等^[27]发现PE和PP 2 种微塑料均能显著降低生菜叶绿素a和类胡萝卜素含量，并使过氧化氢酶活性增强，从而抑制植物生长。叶子琪等^[28]也发现，PE微塑料在高质量浓度（100、500 mg·kg^-¹）暴露下对蚕豆的生长有显著抑制效果。

PHB对辣椒茎直径、鲜质量和干质量的抑制作用强于PBS，但对株高的抑制作用低于PBS。这说明PHB和PBS微塑料抑制了辣椒生长发育，且高质量分数的PHB微塑料处理抑制效果强于PBS微塑料，这可能与不同微塑料的理化性质及其与植物相互作用的机制差异有关。

不同质量分数的PLA对辣椒鲜质量、干质量以及茎直径和株高的增长影响不同。随着添加量增加PLA对辣椒茎直径的抑制作用减弱，且PLA对辣椒株高的影响较小，1.0% PLA增加了辣椒的生物积累量，但0.2% PLA和5.0% PLA对辣椒的茎直径、株高的增长以及生物量积累的影响与CK相比并不显著。这与一些研究中发现的低浓度可降解微塑料对植物生长影响较小或甚至有促进作用的结果相符。如Li等^[29]发现，PVC微塑料在质量分数为0.5%和1%时，对根系形态有显著的促进作用。这一现象可能与PLA微塑料的生物降解性有关，其在土壤中可能逐渐降解，从而对植物生长的长期影响较小。然而，目前关于PLA微塑料对植物生长影响的研究相对较少，需要进一步的研究来验证和深入探讨。

2.6 3种微塑料对辣椒叶绿素和类胡萝卜素的影响

叶绿素含量的高低是直接反映植物光合能力的重要指标之一，叶绿素含量对光合速率和光合产物的形成有着直接影响，最终影响作物产量和品质^[30]。由图4可知，随着微塑料质量分数增加，PBS和PHB的w（叶绿素）逐渐降低，并且在相同微塑料质量分数下PBS的w（叶绿素）高于PHB。1.0% PLA与CK相比，w（叶绿素）相差不大并最终高于CK，0.2% PLA和5.0% PLA则低于CK。这说明微塑料PBS和PHB能够显著抑制叶绿素的合成，且随着微塑料质量分数增加抑制作用增强，相同质量分数下，PBS对辣椒叶绿素合成的抑制弱于PHB，而PLA对叶绿素合成的抑制作用最小，其中1.0% PLA对叶绿素的合成影响最小。

类胡萝卜素是植物体中重要的抗氧化物质，在减轻和消除由干旱等逆境引发的活性氧伤害方面直接发挥作用^[31]，并且与叶绿素有一定的比例关系。由图5可知，随着微塑料质量分数增加，PHB和PBS的w（类胡萝卜素）逐渐降低，并且在相同微塑料添加量下PBS的w（类胡萝卜素）高于PHB。0.2% PHB、0.2% PBS和0.2% PLA的w（类胡萝卜素）与CK相差不大，而5.0%的微塑料处理则明显低于CK。这说明高浓度的微塑料能够显著抑制类胡萝卜素的合成，且随着微塑料添加量增加抑制作用增强，其中PBS对辣椒类胡萝卜素合成的抑制作用弱于PHB，而PLA对类胡萝卜素合成的抑制作用最弱。这与牛佳瑞等^[26]的研究结果相符，他们发现PS微塑料联合镉污染显著降低了植物的叶绿素含量，进而影响植物的光合作用和生长。杨喜珍等^[32]也发现，聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）-8000模拟干旱胁迫对马铃薯组培苗叶绿素和类胡萝卜素含量有显著影响。

3 结论与展望

3.1 结论

不同质量分数PHB和PBS处理均对辣椒生长有显著的抑制作用，且随着PHB和PBS质量分数增加，PHB和PBS对辣椒生长的抑制作用增强。PBS和PHB能够显著抑制辣椒叶绿素和类胡萝卜素的合成，且随着微塑料质量分数增加抑制作用增强，相同质量分数下，PBS对辣椒叶绿素和类胡萝卜素合成的抑制作用弱于PHB。较低质量分数的PBS、PHB以及PLA对过氧化氢酶含量的影响不大，而较高质量分数的PBS和PHB均降低了土壤过氧化氢酶含量，其中5.0% PBS抑制效果最强，5.0% PHB次之。PBS和PHB处理均对凋落物分解表现出抑制作用，且相同质量分数下PHB的抑制效果强于PBS，其中5.0% PHB的抑制效果最强，5.0% PBS次之。PBS和PHB均会抑制辣椒对土壤有效磷的吸收利用，且随着添加量增加抑制效果增强，其中5.0% PHB的抑制作用最强。

3.2 展望

可降解微塑料作为一种新兴污染物，它不仅会对土壤生态系统还会对人居环境产生深远的影响。目前，学者研究的大多是原生微塑料，而对老化微塑料的研究则比较欠缺，其对植物生长繁殖所产生的影响也缺少综合性的了解；同时，对土壤中多种微塑料复合污染、微塑料与其他污染物的复合污染关注不多，其联合毒性效应相关机制研究也比较薄弱。未来还需深入研究可降解微塑料对土壤功能基因、土壤生物群、土壤营养循环变化以及对植物关键酶和基因等大分子的影响，探索可降解微塑料自身降解机理以及在不同土壤环境下的降解机制，了解微塑料粒径、形状、老化程度、多种微塑料复合污染以及在多因素（如介质类型）交互影响等情景下对植物和土壤理化性质的影响。

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基金资助

云南省教育厅项目(2024J1075)