紫外老化纳米塑料对生菜生长及土壤微生物的毒性增强效应研究

本研究针对纳米塑料(NPs)在土壤环境中的生态风险问题，通过对比原始与紫外老化聚苯乙烯(PS)及羧基化聚苯乙烯(PSC) NPs对生菜生长、抗氧化系统及土壤微生物的影响，发现老化NPs通过诱导活性氧(ROS)爆发、抑制光合作用导致生物量下降(最高达57.8%)，并改变土壤pH和微生物代谢通路。该成果为评估环境老化NPs的生态毒性提供了关键数据。

　　

塑料制品因其优异的性能已成为现代生活不可或缺的材料，但随之而来的环境问题日益严峻。2020年全球塑料产量突破3.59亿吨，其中约80%的塑料垃圾最终进入河流、海洋和土壤环境。这些塑料在自然条件下会逐渐降解为微塑料(MPs)和纳米塑料(NPs)，成为全球关注的新型污染物。尤其值得警惕的是，农业覆膜、污水灌溉等人类活动导致土壤成为MPs/NPs的主要汇集地。中国19个省份的土壤调查显示，每公顷土壤中塑料含量最高可达324.5公斤，德国农田每年通过堆肥输入的MPs/NPs数量更是高达0.035-2.2万亿个。这些微小的塑料颗粒不仅直接影响植物生长和土壤结构，还可能通过改变微生物群落影响整个生态系统功能。

更令人担忧的是，环境中的MPs/NPs会经历紫外线辐射、生物降解等老化过程。其中，紫外(UV)老化会导致塑料表面产生孔隙、裂纹，并改变其表面化学性质，如电荷极性、官能团组成等。这些变化可能增强NPs与生物体的相互作用，进而加剧其生态毒性。已有研究表明，老化后的塑料对植物的毒性显著高于原始塑料，但关于老化NPs对土壤生态系统影响的研究仍十分有限。

为深入探究这一问题，西藏自治区重点科技项目和创新团队的研究人员开展了一项系统研究。他们以广泛使用的聚苯乙烯(PS)及其羧基化衍生物(PSC)为研究对象，通过紫外老化处理制备了老化NPs，研究了不同浓度(0-50 mg·L^?1)原始与老化NPs对生菜生长、生理生化指标及土壤特性的影响。相关成果发表在《Applied Soil Ecology》上，为评估环境老化NPs的生态风险提供了重要依据。

研究采用了多项关键技术方法：通过紫外辐射模拟自然环境老化过程制备老化NPs；利用扫描电镜观察NPs形貌特征；测定生菜生物量、光合色素含量等生长指标；检测叶片和根部活性氧(ROS)水平及抗氧化酶活性；分析土壤pH值、溶解性有机质组成等理化性质；采用高通量测序评估土壤微生物群落变化；运用KEGG数据库预测微生物代谢通路。

Characteristics of pristine and aged NPs
研究人员首先对原始和老化NPs进行了表征。结果显示，原始PS和PSC NPs呈规则球形，表面光滑，粒径约100 nm。经过两个月紫外老化后，NPs表面变得粗糙，出现孔隙并吸附有碎片，表明老化过程导致塑料降解。傅里叶变换红外光谱证实老化NPs表面含氧官能团增加，Zeta电位绝对值增大，亲水性增强。这些物化性质的变化可能增强NPs与生物体的相互作用。

NPs对生菜生长的影响
研究发现，原始和老化NPs均抑制生菜生长，且老化NPs毒性更强。在最高浓度(50 mg·L^?1)下，原始PS和PSC使叶片(根系)生物量分别降低10.2%(23.4%)和32.7%(45.3%)，而老化PS和PSC的抑制率分别达26.7%(35.9%)和43.1%(57.8%)。老化NPs还显著降低叶绿素和类胡萝卜素含量，抑制光合作用。生理指标显示，NPs诱导生菜产生过量ROS，引发氧化应激，导致膜脂过氧化和细胞损伤，这种效应随NPs浓度和老化时间增加而加剧。

NPs对土壤特性的影响
暴露于NPs显著降低土壤pH值。虽然原始和老化NPs未改变溶解性有机质组成，但老化PSC显著增加了可溶性微生物副产物的强度，这可能与土壤酸碱度变化有关。低浓度NPs提高了土壤微生物Chao 1指数，表现出"毒物兴奋效应"。功能预测分析表明，NPs促进微生物氧化磷酸化、原核生物碳固定途径和三羧酸循环代谢通路。

Conclusions
该研究系统阐明了原始和老化NPs对生菜-土壤系统的毒性效应。主要结论包括：(1)紫外老化通过改变NPs表面性质增强其生态毒性；(2)NPs通过诱导ROS爆发、抑制光合作用阻碍植物生长；(3)NPs改变土壤微生物群落结构和代谢功能。这些发现为评估环境老化NPs的生态风险提供了重要依据，对制定塑料污染防控策略具有指导意义。研究特别强调，环境老化过程可能显著增强NPs的毒性，这在未来生态风险评估中应予以充分考虑。

该研究的创新性在于首次系统比较了原始与老化NPs对植物-土壤系统的复合影响，揭示了表面性质变化与毒性增强的关联机制。研究结果为深入理解NPs的环境行为及其生态效应提供了新视角，也为发展针对老化NPs的污染控制技术奠定了理论基础。随着全球塑料污染的持续加剧，这类研究对保障农业生态安全和农产品质量具有重要意义。