微塑料对紫花苜蓿生长及生理特性的影响

doi:10.11686/cyxb2022237

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (5): 138-146.DOI: 10.11686/cyxb2022237

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微塑料对紫花苜蓿生长及生理特性的影响

李超男¹(), 王磊¹(), 周继强², 赵长兴¹, 谢晓蓉³, 刘金荣¹()

^1.草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州 730020
^2.甘肃有色工程勘察设计研究有限公司，甘肃兰州 730000
^3.甘肃中医药大学药学院，甘肃兰州 730000

收稿日期:2022-05-26 修回日期:2022-07-02 出版日期:2023-05-20 发布日期:2023-03-20
通讯作者: 刘金荣
作者简介:E-mail： liujinr@lzu.edu.cn
李超男（1999-），女，山东临沂人，在读硕士。E-mail： lichn21@lzu.edu.cn
王磊（1997-），男，安徽芜湖人，在读硕士。E-mail： wanglei2015@lzu.edu.cn。第一联系人：（李超男、王磊并列第一作者）
基金资助:
自然资源部高寒干旱区矿山地质环境修复工程技术创新中心2021年度开放基金(HHGCKK2105);甘肃省教育厅科技成果转化项目(2017D-16);中央引导地方科技发展资金项目(22ZY2QG001)

Effect of microplastics on the growth and physiological characteristics of alfalfa （Medicago sativa）

Chao-nan LI¹(), Lei WANG¹(), Ji-qiang ZHOU², Chang-xing ZHAO¹, Xiao-rong XIE³, Jin-rong LIU¹()

^1.State Key Laboratory of Grassland Argo-ecosystems，College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China
^2.Gansu Nonferrous Engineering Survey，Design and Research Institute，Lanzhou 730000，China
^3.College of Pharmacy，Gansu University of Traditional Chinese Medicine，Lanzhou 730000，China

Received:2022-05-26 Revised:2022-07-02 Online:2023-05-20 Published:2023-03-20
Contact: Jin-rong LIU

摘要/Abstract

摘要：

为全面认识微塑料对草地农业生态系统的毒性效应和生态风险，以低密度聚乙烯（mLDPE）和聚乳酸（mPLA）2种不同类型的微塑料为试验对象进行盆栽试验，探究不同浓度下（0.1%、0.5%、1%、5%、10%，w/w，质量分数）两种类型的微塑料对紫花苜蓿生长和生理特性的影响。研究结果发现：相较于对照组，高浓度（10%）处理下，mPLA处理组紫花苜蓿生物量、总叶绿素含量和净光合速率显著降低，mLDPE处理组则是地上生物量与净光合速率显著降低；超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量随微塑料添加浓度升高而增加，mPLA处理组中SOD、CAT活性和MDA含量在10%浓度时分别显著提高了56.68%、85.63%和67.30%，mLDPE处理组中仅有SOD和POD的活性在10%浓度时影响显著。结果表明，微塑料添加对紫花苜蓿的毒害作用与微塑料的类型和浓度有关。高浓度mPLA能够损伤植物光合系统，影响植物的光合作用，对植物造成氧化损伤，从而抑制紫花苜蓿植株生长，其影响强于mLDPE。

关键词: 微塑料, 紫花苜蓿, 光合作用, 抗氧化酶活性

Abstract:

A pot experiment was conducted under controlled conditions to comprehensively understand the toxic effects and ecological risks of microplastics on the grassland agro-ecosystem. Two types of microplastics， low density polyethylene （mLDPE） and polylactic acid （mPLA）， were added to soil at five different doses （0.1%， 0.5%， 1%， 5%， 10%， w/w， dry soil weight）. The growth and physiological characteristics of alfalfa （Medicago sativa） plants growing in these treatments were evaluated and compared with those of plants in the control （no microplastics）. The results showed that a high concentration （10%） mPLA reduced the biomass， total chlorophyll content， and net photosynthetic rate of alfalfa plants， while mLDPE significantly decreased the aboveground biomass and net photosynthetic rate of alfalfa plants. The malondialdehyde （MDA） content and the activities of superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， and catalase （CAT） increased as the dose of MPs increased. Compared with the control， the 10% mPLA treatment group showed a 67.30% higher MDA content and 56.68% and 85.63% higher activities of SOD and CAT， respectively. Among the mLDPE treatments， only the 10% dose significantly affected SOD and POD activities. The results of this study show that the toxic effect of microplastics on alfalfa is related to both the type and concentration of the microplastics. High concentrations of mPLA strongly affected alfalfa plants by damaging the photosynthetic system， decreasing plant photosynthesis， and causing oxidative damage， resulting in growth inhibition， which had a stronger influence than mLDPE.

Key words: microplastic, Medicago sativa, photosynthesis, activity of antioxidant enzyme

李超男, 王磊, 周继强, 赵长兴, 谢晓蓉, 刘金荣. 微塑料对紫花苜蓿生长及生理特性的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(5): 138-146.

Chao-nan LI, Lei WANG, Ji-qiang ZHOU, Chang-xing ZHAO, Xiao-rong XIE, Jin-rong LIU. Effect of microplastics on the growth and physiological characteristics of alfalfa （Medicago sativa）[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(5): 138-146.

图/表 5

图1 微塑料对紫花苜蓿地上生物量及地下生物量的影响不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05），M1~M5分别表示微塑料添加浓度为0.1%、0.5%、1%、5%和10% （w/w），mPLA表示聚乳酸微塑料处理，mLDPE表示低密度聚乙烯微塑料处理，下同。Different lowercase letters indicate that there are significant differences among different treatments （P<0.05）， M1-M5 represented 0.1%， 0.5%， 1%， 5% and 10% （w/w） of microplastics. mPLA represented polylactic acid microplastic treatment， mLDPE represented low density polyethylene microplastic treatment， the same below.

Fig.1 Effect of microplastics on aboveground biomass and underground biomass of alfalfa

表1 微塑料对紫花苜蓿根系形态指标的影响

Table 1 Effect of microplastics on root morphology of alfalfa

处理 Treatment	浓度 Dose	根长 Root length （cm）	根系平均直径 Mean root diameter （cm）	根系总表面积 Total root surface area （cm²）	根系总体积 Total root volume （cm³）	根尖数 Root tip number
CK	0	1879.00±37.00ab	1.31±0.06a	713.20±12.70ab	25.68±2.98a	8778.33±1018.03ab
mPLA	M₁	1855.14±65.22abc	0.96±0.05bc	558.77±19.59c	13.47±1.10bcd	8607.00±159.69ab
	M₂	2000.96±59.24ab	1.00±0.04bc	629.46±35.53abc	15.79±1.41bc	8654.33±775.82ab
	M₃	1923.91±307.79ab	0.98±0.09bc	591.09±104.66bc	14.66±3.13bcd	11059.33±2524.42a
	M₄	1616.32±127.25bcd	0.94±0.04bc	474.17±25.24cd	11.11±0.58cd	6829.00±493.84b
	M₅	1230.26±164.34d	1.02±0.04bc	393.16±54.96d	10.03±1.55d	6265.00±640.43b
mLDPE	M₁	2259.86±243.13a	1.28±0.02a	761.44±34.72a	23.70±1.13a	8263.00±1024.47ab
	M₂	1861.32±144.56abc	1.27±0.05a	541.68±25.88c	17.08±0.27b	8143.67±730.86ab
	M₃	1231.82±98.19d	1.30±0.12a	495.23±16.19cd	16.13±1.81bc	6023.00±406.59b
	M₄	1424.29±46.72cd	1.12±0.04ab	499.75±23.04cd	13.99±1.12bcd	6844.33±112.19b
	M₅	1370.77±113.76d	0.90±0.07c	628.22±42.09abc	14.05±1.18bcd	8552.67±1326.05ab

图2 微塑料对紫花苜蓿叶片总叶绿素含量的影响

Fig.2 Effect of microplastics on total chlorophyll content of alfalfa leaves

图3 微塑料对紫花苜蓿光合参数的影响

Fig.3 Effect of microplastics on photosynthetic parameter of alfalfa

图4 微塑料对紫花苜蓿叶片SOD、POD、CAT活性和MDA含量的影响

Fig.4 Effects of microplastics on SOD， POD and CAT activities and MDA content in alfalfa leaves

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微塑料对紫花苜蓿生长及生理特性的影响

Effect of microplastics on the growth and physiological characteristics of alfalfa （Medicago sativa）

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