微塑料与重金属联合作用对红树白骨壤根际微生态及幼苗生长发育的影响

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海洋微塑料污染日益加剧,位于陆海交界处的红树林湿地逐渐成为微塑料汇集的重灾区。重金属作为典型的无机污染物,现如今在海岸带与微塑料广泛共存。红树林生态系统正面临微塑料污染与重金属污染双重威胁,然而,目前微塑料与重金属复合污染对红树林的影响研究相对匮乏。本研究以先锋红树植物白骨壤(Avicennia.Marina.(Forsk.)Vierh.)为研究对象,通过构建微塑料(聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA))与环境浓度下的多种重金属(Cr、Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、Co、Hg、As、Ni)复合污染模型,探究了微塑料与重金属联合作用对红树根际微生物群落结构、根际物质转化以及幼苗生长代谢的影响。主要研究结果如下:(1)采用16S r DNA高通量测序技术揭示红树根际微生物对微塑料-重金属复合污染的响应。结果表明,多种重金属暴露(Z)30天后白骨壤根际细菌丰富度显著降低,三种微塑料分别与重金属复合处理(MPs-HMs)均可加剧细菌丰富度的退化,而细菌群落多样性与均匀度受各污染物处理影响较小。三种微塑料-重金属复合暴露均在短期内使白骨壤根际细菌群落结构发生明显改变。其中,PA微塑料-重金属复合处理组(PAz)和PE微塑料-重金属复合处理组(PEz)根际细菌群落与Z组较为相近;而PP微塑料-重金属复合处理(PPz)80天后白骨壤根际细菌群落结构发生显著改变。PPz暴露使门水平的优势菌厚壁菌门(Firmicutes)在群落中的相对丰度较Z组增加58%的同时使ε-变形菌门(Epsilonbacteraeota)相对丰度降低至Z组的0.51倍。此外,PPz和PAz处理分别特异性富集芽孢杆菌目(Bacillales)和鞘脂单胞菌目(Sphingomonadales),并在群落中长期占据优势地位(12%和3.26%)。功能预测结果显示三种微塑料的存在可导致固碳功能基因丰度显著降低,与此同时显著增加沉积物中参与外源物质生物降解与代谢功能基因丰度。通过本章研究发现,白骨壤根际细菌对重金属和微塑料复合污染响应较为敏感且具有特异性和持久性。沉积物中的微塑料可能通过选择性富集具特定塑料降解功能的细菌类群从而引起根际沉积物细菌群落结构的改变。(2)通过检测微宇宙体系中沉积物酶活性,N、S、P和Si相关养分含量以及重金属在沉积物与间隙水中浓度的变化,探究了微塑料与重金属复合污染对根际微环境的影响。结果表明,PEz处理显著抑制根际沉积物磷酸酶活性并使间隙水中磷酸盐和活性硅酸盐含量显著降低;相反,PPz处理提高了根际脲酶活性且使根际间隙水中铵盐含量增加65.6%;PAz处理使根际沉积物中硫化物含量增加至空白对照的2.34倍。此外,微塑料可改变重金属在根际空间的赋存,其中PP微塑料使Cd在间隙水中的浓度增加,PA和PE微塑料均促进了Hg在沉积物中的蓄积。本章结果揭示了微塑料与重金属联合作用可使红树林根际微环境发生复杂变化,不同微塑料产生的效应各不相同。PP微塑料主要影响氮素与磷素转化,而PE和PA微塑料分别干扰根际环境硅和硫循环。微塑料可改变根际Ni、Co、Mn和Zn的赋存,间接影响根际环境有机质转化。(3)对微观生态系统中白骨壤幼苗表型、生理代谢以及根系氧化损伤进行评估,结果表明,在培养过程中未观察到各污染物处理对白骨壤幼苗的致死效应,相反,PPz和PAz处理对幼苗生长发育呈现出一定的促进作用。PPz和PAz处理使幼苗叶片可溶性蛋白质含量分别增加至Z处理的4.4倍和3.1倍。在PPz处理组白骨壤叶片中检测到较Z处理高约58%的游离脯氨酸含量。PEz暴露则显著抑制了幼苗根系和叶片组织中氮素吸收转化相关酶活性。此外,在PEz和PAz组幼苗根组织中观察到较高浓度和频次的活性氧积累。综上所述,三种不同微塑料与重金属联合作用对白骨壤、根际微生物和沉积物产生的影响各不相同。白骨壤幼苗对重金属和微塑料胁迫有较强的耐受性。相较于地上部,其地下部分——根际微生态对微塑料-重金属复合污染的响应更为敏感。本课题研究为红树林湿地微塑料与重金属污染生态风险评估提供一定的科学依据,具有重要现实意义。
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