生物炭与氧化钙纳米颗粒复合材料缓解铅和微塑料对紫花苜蓿的联合毒性研究

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Nano-modified biochar mitigates toxicity from co-contamination with lead and microplastics in alfalfa by modulating photosynthesis, nitrogen assimilation, and antioxidant systems

　　

摘要

背景

微塑料（MPs）和重金属被释放到环境中，对作物产量和人类健康构成了严重威胁。生物炭和氧化钙纳米颗粒（CaO-NPs）改性材料（NBC）在减轻微塑料及铅（Pb2?）毒性的作用尚未得到充分研究。因此，我们测试了BC-CaO-NPs复合材料是否能够缓解微塑料和铅单独或联合存在时对紫花苜蓿植物的毒性影响。本研究设置了不同的处理组：对照组（CK）、铅胁迫（100 mg kg?1）、微塑料（1%）、铅（100 mg kg?1）+ 微塑料（1%）、铅（100 mg kg?1）+ NBC（2%）、微塑料（1%）+ NBC（2%）以及铅（100 mg kg?1）+ 微塑料（1%）+ NBC（2%）。

结果

铅与微塑料的相互作用通过降低叶绿素（Chl）含量、光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（gs）、细胞间二氧化碳（Ci）和土壤养分利用率，同时增加丙二醛（MDA）和电解质泄漏（EL）及过氧化氢（H?O?）的水平，以及降低酶活性，从而抑制了紫花苜蓿的生长和生物量产出。生长减缓还与氮同化能力下降有关，这是由于参与氮同化的酶如谷氨酸脱氢酶（GH）、谷氨酰胺合成酶（GS）、硝酸盐还原酶（NR）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性降低所致。生物炭显著增强了叶绿素合成（66.50%）、光合速率（18.69%）、蒸腾速率（36.31%）、气孔导度（87.50%）、抗氧化活性（APX、CAT、POD、SOD、GSH 和 MDHAR）、渗透调节物质合成（脯氨酸和可溶性蛋白质）以及激素产生（吲哚乙酸：IAA、赤霉素：GA），并降低了电解质泄漏（37.72%）和过氧化氢（39.24%），从而促进了更好的生长和生物量产出。此外，生物炭还通过提高硝酸盐还原酶（NR，43.68%）、谷氨酰胺合成酶（GS，42.86%）和谷氨酸合成酶（GOGAT，48.13%）的活性来增强植物在胁迫条件下的氮同化能力，进而促进了生长。另外，NBC改良剂减少了土壤中铅（Pb2?）的活性，增加了土壤养分和碳的可用性，并提升了土壤酶的活性，从而提高了生长和生物量产出。

结论

因此，这些研究结果表明，应用NBC是一种有效措施，可以抵消铅（Pb2?）和微塑料的联合毒性。这些发现提供了新的见解，并为解决重金属和微塑料共污染这一持续存在的挑战提供了可行的方案。

图形摘要

背景

微塑料（MPs）和重金属被释放到环境中，对作物产量和人类健康构成了严重威胁。生物炭和氧化钙纳米颗粒（CaO-NPs）改性材料（NBC）在减轻微塑料及铅（Pb2?）毒性的作用尚未得到充分研究。因此，我们测试了BC-CaO-NPs复合材料是否能够缓解微塑料和铅（Pb2?）单独或联合存在时对紫花苜蓿植物的毒性影响。本研究设置了不同的处理组：对照组（CK）、铅胁迫（100 mg kg?1）、微塑料（1%）、铅（100 mg kg?1）+ 微塑料（1%）、铅（100 mg kg?1）+ NBC（2%）、微塑料（1%）+ NBC（2%）以及铅（100 mg kg?1）+ 微塑料（1%）+ NBC（2%）。

结果

铅与微塑料的相互作用通过降低叶绿素（Chl）含量、光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（gs）、细胞间二氧化碳（Ci）和土壤养分利用率，同时增加丙二醛（MDA）和电解质泄漏（EL）及过氧化氢（H?O?）的水平，以及降低酶活性，从而抑制了紫花苜蓿的生长和生物量产出。生长减缓还与氮同化能力下降有关，这是由于参与氮同化的酶如谷氨酸脱氢酶（GH）、谷氨酰胺合成酶（GS）、硝酸盐还原酶（NR）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性降低所致。生物炭显著增强了叶绿素合成（66.50%）、光合速率（18.69%）、蒸腾速率（36.31%）、气孔导度（87.50%）、抗氧化活性（APX、CAT、POD、SOD、GSH 和 MDHAR）、渗透调节物质合成（脯氨酸和可溶性蛋白质）以及激素产生（吲哚乙酸：IAA、赤霉素：GA），并降低了电解质泄漏（37.72%）和过氧化氢（39.24%），从而促进了更好的生长和生物量产出。生物炭还通过提高硝酸盐还原酶（NR，43.68%）、谷氨酰胺合成酶（GS，42.86%）和谷氨酸合成酶（GOGAT，48.13%）的活性来增强植物在胁迫条件下的氮同化能力，进而促进了生长。另外，NBC改良剂减少了土壤中铅（Pb2?）的活性，增加了土壤养分和碳的可用性，并提升了土壤酶的活性，从而提高了生长和生物量产出。

结论

因此，这些研究结果表明，应用NBC是一种有效措施，可以抵消铅（Pb2?）和微塑料的联合毒性。这些发现提供了新的见解，并为解决重金属和微塑料共污染这一持续存在的挑战提供了可行的方案。

图形摘要