南开大学刘维涛团队EST|原始和老化轮胎磨损颗粒对空心菜及根际微生物群落的影响:长期暴露研究

政务   2024-11-23 09:48   湖北  

文章信息

第一作者:Aurang Zeb

通讯作者:刘维涛 教授
通讯单位:南开大学
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c07188

亮点

• 自然老化的轮胎磨损颗粒毒性较低,可减少土壤中多环芳烃的浓度,改善植物生理过程,促进根际微生物多样性。

• 原始轮胎磨损颗粒削弱植物抗氧化能力,扰乱代谢途径,降低根际微生物多样性,影响土壤健康。

研究进展

图1 图文摘要
随着微塑料(MPs)在土壤环境中的广泛存在,土壤已成为MPs的重要汇集地。在众多类型的 MPs 中,轮胎磨损颗粒(TWPs)约占陆地环境中 MPs 总数的 45%。TWPs通过氧化、风化、光降解和生物降解等多种转变过程,改变了其结构、表面特性和与土壤成分的相互作用,从而影响土壤理化性质、植物生长以及微生物群落的多样性和功能。尽管已有研究探讨了TWPs对植物生长和土壤健康的影响,但老化TWPs对土壤生物的毒性是否更剧烈尚未得到充分解答。已有研究表明,老化TWPs对水生生物如微藻的毒性较原始TWPs更为显著,但在土壤环境中的研究相对较少。因此,本研究以空心菜(Ipomoea aquatica)为试验植物,模拟土壤中TWPs长期污染的情景,结合物理化学分析、代谢组学分析和16S rRNA基因测序,全面评估老化TWPs污染对植物代谢、土壤健康和微生物群落的影响。研究结果有助于揭示TWPs老化对植物和土壤健康的毒理机制,为未来的TWPs生态风险评估和环境治理提供重要依据(图1)。

图2 暴露于老化和原始TWPs下的空心菜植物的物理化学参数,包括:茎长(A)、根长(B)、茎鲜重(C)、根重(D)、叶绿素含量(E)、超氧化物歧化酶(SOD)活性(F)、过氧化氢酶(POD)活性(G)以及叶片和根部的丙二醛(MDA)含量(H)
表1. 老化和原始TWPs处理土壤中的多环芳烃浓度(ppb)
红色星号“**”表示对照组与其他处理组之间的显著差异

黑色星号“**”表示老化TWPs与原始TWPs处理组之间的显著差异

自然老化TWPs相比于原始TWPs对空心菜的生长毒性较低,主要原因是可生物利用的污染物(如多环芳烃,PAHs)减少(表1)。这些污染物通过风化和微生物降解随时间而降低(图2)。相反,原始TWPs含有较高水平的可生物利用PAHs,这些污染物可能引发植物的氧化应激。原始TWPs处理的植物根部超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性的降低进一步表明了这一点,这导致活性氧(ROS)积累和脂质过氧化增加,表现为丙二醛(MDA)水平升高。这种氧化应激干扰了植物的正常代谢过程,导致叶绿素含量减少并影响光合作用效率。而在老化TWPs中,污染物的减少可能有助于植物生长的改善、叶绿素含量的增加以及整体生理性能的提升(图2)。

图3 暴露于老化和原始TWPs下的土壤有机物(A)、总有机碳(B)、无机碳(C)、总氮(D)以及酶活性,包括脲酶(E)、植酸酶(F)和脱氢酶(G)
老化的TWPs通过将TWPs来源的碳整合到土壤基质中,增加了土壤有机质(SOM)和总有机碳(TOC)的含量(图3),从而促进了微生物活性。同时土壤质量的改善表现为土壤酶活性的增加,例如脲酶的活性提升,这有助于氮循环进程发展并促进整体土壤肥力的提高。

图4 空心菜植物在暴露于老化和原始TWPs 60天后的代谢物分析。偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)得分图(A、D)显示了处理组之间的明显分离。热图(B、C)分别展示了植物叶片和根部代谢物丰度的显著变化。与对照组(CK)相比的通路分析(E、F)和老化TWPs(G、H)强调了关键的代谢变化
原始TWPs改变了空心菜叶片中的碳水化合物代谢通路,降低了叶片中蔗糖和果糖的含量,并将糖分重新分配到根部(图4)。这种代谢变化表明植物在应激反应中将能量从生长转移到防御机制上。相反,老化TWPs促进了叶片和根部的碳水化合物代谢通路。在叶片中,淀粉和蔗糖代谢的上调,以及根部氮代谢和柠檬酸循环的增强(图4E-H),反映了空心菜能量代谢的增加和有效利用。老化TWPs导致的代谢变化提升了空心菜的生长和抗逆性,促进了空心菜对养分的有效吸收和同化。

图5 维恩图(A)和 PCoA(B)描述的根际细菌群落的分布。前15个细菌门的相对丰度(C)。环境因素与细菌丰度之间关系的RDA/CCA分析(D)和网络热图(E)(前 15 个细菌门;皮尔逊相关系数 >1 或<-1)
原始TWPs减少了细菌多样性,导致了更具抗性的物种占据主导地位,从而损害了土壤生态系统功能。与此相反,老化TWPs促进了更为多样化和活跃的微生物群落,通过增加AcidobacteriotaMethylomirabilota等细菌的丰度,改善了微生物有机物分解和养分循环,从而改善了土壤健康和植物生长(图5)。

图6 原始和老化TWPs毒性机制的概念性示意图
本研究突出了TWPs、植物、土壤和微生物群落在陆地生态系统中的复杂相互作用(图6)。与原始TWPs相比,老化TWPs的植物生长毒性较低,得益于TWPs老化后多环芳烃减少以及土壤有机碳增加的影响。相比之下,原始TWPs对植物的抗氧化防御产生了明显的负面影响,扰乱了植物生长所需的关键代谢途径,凸显了其潜在的生态风险。对根际细菌群落的研究进一步表明,原始TWPs减少了根际细菌群落的多样性和活性,而这些细菌群落对养分循环和土壤健康至关重要。与此相对,老化TWPs增加了根际微生物群落的丰富度。总体而言,这些发现有助于填补TWPs在土壤环境效应方面的知识空白,并为老化TWPs效应的长期研究提供重要的科学依据。

作者介绍

刘维涛博士,南开大学环境科学与工程学院教授,博士生导师。天津市第一批生态环境青年科技人才,天津市生态环境局土壤污染防治专家。主要研究方向为污染环境生态修复与食品安全、新型污染物的环境行为及生态毒性等。以第一作者或通讯作者名义发表SCI论文50余篇,H指数33ESI高被引论文9篇。主持/参与国家重大研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等课题10余项。作为主要完成人,获得省部级奖项5项,编著/参编专著6部,授权国家发明专利5件。现任中国自然资源学会资源循环利用专业委员会副秘书长,EI期刊《中国环境科学》中青年编委、SCI期刊Land Degradation & DevelopmentPlant Physiology and BiochemistryApplied Soil Ecology等特刊编辑。

通讯邮箱lwt@nankai.edu.cn

Aurang Zeb南开大学环境科学与工程学院2022级环境科学专业博士研究生。主要研究方向:土壤-植物系统中新兴污染物的影响。目前以第一作者或共同作者身份在ES&TJHM等上发表SCI论文40余篇,H指数23

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