近日，东北大学资源与土木工程学院陈芳副教授团队在环境领域著名学术期刊
Journal of Hazardous Materials
上发表了题为“
Polyethylene
nanoplastics, tebuconazole and cadmium affect soil-wheat system by altering
rhizosphere microenvironment under single or combined exposure
”的论文
。文中聚焦聚乙烯纳米塑料、杀菌剂戊唑醇和重金属镉，探究了多种污染物暴露下对土壤性质和小麦指标的综合影响。同时探究了纳米塑料对镉在土壤
-
小麦系统中迁移的影响。通过根际代谢组学和微生物群落特征的角度解释了污染物毒性机理和土壤
-
小麦系统对外来胁迫的抵抗机制。同时通过根际微生物与环境因子的相关性分析归纳了在维持系统稳态中发挥重要作用的种属。研究结果有助于阐明纳米塑料与其他污染物对土壤
-
植物系统的综合效应，为毒性机制研究提供新的视角
。
聚乙烯（
PE
）被广泛用作农用塑料地膜。然而，塑料薄膜回收率低，导致土壤中塑料残留并带来环境风险。对生态系统服务的全面评估可能会使塑料地膜在经济上不可行且不可持续。在自然条件下，
PE
的降解可能需要
200
至
400
年。土壤中的地膜残留物可以通过风化、紫外线辐射、生物降解和磨损等过程降解为微塑料（
MPs
），最终分解为纳米塑料（
NPs
）。土壤中小尺寸塑料检测技术的局限性可能导致对
MPs/NPs
实际水平的低估。农业土壤中的农药残留问题长期以来一直备受关注，尤其是杀菌剂。三唑类杀菌剂戊唑醇（
Te
）是一种高效、广谱系统性农药，杀菌谱广，效果持久，能够防治小麦褐斑病、叶枯病和白粉病等疾病，在土壤中的半衰期为
32.2
至
216.6
天，具有相对持久性，且表现出低至中等的移动性，对土壤
-
植物系统构成威胁。除了有机污染物外，农田土壤重金属污染也是一个关键问题。在众多有毒金属中，镉（
Cd
）是对土壤
-
植物系统最有害的重金属之一。过量的镉会抑制植物生长，诱导氧化应激，导致叶绿素缺乏。它还会对微生物群落产生负面影响，导致土壤肥力和养分循环发生改变。
聚乙烯（
PE
）被广泛用作农用塑料地膜。然而，塑料薄膜回收率低，导致土壤中塑料残留并带来环境风险。对生态系统服务的全面评估可能会使塑料地膜在经济上不可行且不可持续。在自然条件下，
PE
的降解可能需要
200
至
400
年。土壤中的地膜残留物可以通过风化、紫外线辐射、生物降解和磨损等过程降解为微塑料（
MPs
），最终分解为纳米塑料（
NPs
）。土壤中小尺寸塑料检测技术的局限性可能导致对
MPs/NPs
实际水平的低估。农业土壤中的农药残留问题长期以来一直备受关注，尤其是杀菌剂。三唑类杀菌剂戊唑醇（
Te
）是一种高效、广谱系统性农药，杀菌谱广，效果持久，能够防治小麦褐斑病、叶枯病和白粉病等疾病，在土壤中的半衰期为
32.2
至
216.6
天，具有相对持久性，且表现出低至中等的移动性，对土壤
-
植物系统构成威胁。除了有机污染物外，农田土壤重金属污染也是一个关键问题。在众多有毒金属中，镉（
Cd
）是对土壤
-
植物系统最有害的重金属之一。过量的镉会抑制植物生长，诱导氧化应激，导致叶绿素缺乏。它还会对微生物群落产生负面影响，导致土壤肥力和养分循环发生改变。
图文导读
污染物暴露下小麦发芽率和生理生化指标变化
图
1
：
NPs
、
Te
和
Cd
单独和共暴露对小麦发芽率
(A)
、叶片叶绿素
a(B)
、叶绿素
b(C)
和类胡萝卜素
(D)
水平的影响。
NPs
、
Te
和
Cd
单独和共暴露对小麦
MDA (E)
、
SOD
(F)
、
CAT(G)
和
POD(H)
水平的影响。
图
2
：不同处理中小麦植株的地上部
(X
轴上方
)
和根部
(X
轴下方
)
的长度
/
高度和生物量。
首先，污染物单一暴露情况下
NPs
使小麦发芽率降低
10.74%
，刺激了小麦抗氧化防御系统，地下部分鲜重增加
15.79%
；
Te
使发芽率降低
16.52%
，抑制光合作用，破坏了
SOD-CAT
系统，此时
POD
起主要抗氧化防御作用，活性增加
19.80%
；
Cd
抑制光合作用，减少植株鲜重，激发了
SOD-CAT
系统。污染物联合暴露时，
NPs
与
Te
对小麦植株产生协同毒性，进一步破坏光合功能和抗氧化防御机制，抑制小麦生长、发育；
NPs
与
Cd
进一步刺激了
SOD-CAT
系统，小麦鲜重减少了
15.71%
；
Te
与
Cd
的协同毒性导致小麦发芽率降低
22.31%
，光合系统和抗氧化防御系统被破坏，抑制小麦生长、发育；三者联合暴露时对光合系统、抗氧化防御系统和生长发育的影响最严重，脂质过氧化水平最高，增加了
87.71%
。
根际土壤性质改变
图
3
：根际土壤中不同形态
Cd
的相对比例
(A)
。
NPs
、
Te
和
Cd
对根际土壤
pH(B)
、
SOC
水平
(C)
、
NH
4
+
-N(D)
、
AP(E)
和
AK(F)
的单独和联合影响。
图
4
：不同处理对根际土壤
URE(A)
、
CAT(B)
、
SUC(C)
、
ALP(D)
和
LDH(E)
的影响。
在小麦根际土壤指标中，污染物单一暴露时，
NPs
使根际土壤
pH
和有机质分别降低
4.35%
和
5.77%
，但刺激了氮、磷和土壤酶活性；
Te
降低了根际土壤营养物质和主要酶活性；
Cd
使根际土壤
pH
降低
3.69%
，脲酶活性增加
14.98%
，过氧化氢酶活性降低了
8.33%
。联合暴露时，、
NPs
与
Te
使
pH
提高并导致根际土壤营养水平和主要酶活性进一步降低；
NPs
与
Cd
使
pH
升高，进一步促进了营养水平，过氧化氢酶活性降低了
22.22%
；
Te
与
Cd
使速效钾水平降低
21.44%
，过氧化氢酶活性降低
31.35%
；三种污染物联合暴露时
pH
、营养水平、主要土壤酶活性最低
。
污染物毒性机理和土壤
-
小麦系统抵抗机制研究
图
5
：八种处理之间的差异代谢物的热图（
A
）、投影（
VIP
）值的变量重要性分布（
B
）和差异代谢物的通路气泡图（
C
）。
图
6
：各处理组根际土壤微生物群落门（
A
）和属（
B
）水平的相对丰度。
图
7
：实验组
chao1
指数
(A)
和
shannon
指数
(B)
箱线图。属水平前
10
位微生物相对丰度与植物指标
(C)
及土壤性质
(D)
的相关性热图。
图
8
：根际土壤微生物
KEGG
水平
3
上基因功能的
PLS-DA
分析
VIP
值。
通过对植物根际提取物的分析，发现污染物单一及联合暴露时差异代谢物与植物根系多个代谢通路有关，包括乙醛酸和二羧酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、柠檬酸循环、丙酮酸代谢等。以上通路影响植物根系的碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量合成、环境胁迫的应对、生长发育维持、糖、脂肪和蛋白质之间的相互转化。表明小麦根系可通过多种生物过程应对环境胁迫，而污染物也可能破坏植物的多级防御机制进而影响其生长、发育。污染物单一及联合暴露时对根际土壤微生物群落特征和功能基因产生显著影响。
NPs
、
Cd
的单一及联合暴露使相应耐受菌相对丰度增加，含有
Te
的
4
个实验组均抑制了多种植物根际促生菌（
PGPR
）进而阻碍小麦发育。根际土壤微生物群落与环境因子互相联系，其中
Archangium
、
Massilia
、
Sphingomonas
、
Pseudomonas
、
Gemmatimonas
、
Sphingomonas
作为
PGPR
在维持土壤理化性质、营养条件和小麦生理生化指标中发挥重要作用。微生物功能基因的上调和下降是解释不同污染物暴露条件下土壤
-
小麦系统抵抗胁迫或受到破坏的重要机制
。
