微塑料和镉协同作用对蒲公英光合特征及抗氧化作用的影响

Effects of Microplastics and Cadmium on the Photosynthetic Characteristics and Antioxidant Responses of Taraxacum mongolicum

摘要: 土壤中普遍存在重金属和微塑料(MPs)复合污染的环境问题，其中，镉(Cd)具有较高的生态风险，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是常见的微塑料污染物。以蒲公英(Taraxacum mongolicum)为研究对象，开展重金属Cd (5 mg/kg)和不同浓度MPs (0、0.2%、0.5%、1%、2% PET)复合胁迫试验，探究Cd与PET协同作用对蒲公英幼苗叶绿素含量及抗氧化酶活性的影响。结果表明：1) 0.2% PET和5 mg/kg Cd协同处理下，蒲公英的叶绿素a/b比值与对照组相比增幅约为0.49%，0.5% PET时，叶绿素a/b比值降低了0.55%；2) 0.2% PET和5 mg/kg Cd协同处理下，蒲公英幼苗中过氧化物酶(POD)活性达最高，为338.86 U/g，较Cd胁迫对照组提升0.450%，Cd胁迫对超氧化物歧化酶(SOD)活性影响也显著减弱；3) 0.5% PET和5 mg/kg Cd协同处理下，蒲公英的SOD活性开始呈下降趋势，直至2% PET较Cd组降低0.970%。综上，PET与Cd的协同作用对蒲公英叶绿素含量及抗氧化酶活性影响显著，0.2% PET对叶绿素a/b比值影响较小，可缓解Cd诱导的氧化应激损伤，0.2% PET减弱了Cd的毒性效应。

Abstract: To address the widespread co‑contamination of soils by heavy metals and microplastics (MPs), a pot experiment was conducted using cadmium (Cd), a metal with high ecological risk, and polyethylene terephthalate (PET), a common microplastic. Dandelion seedlings (Taraxacum mongolicum) were exposed to a fixed Cd concentration (5 mg/kg) together with five PET levels (0, 0.2%, 0.5%, 1%, and 2%). The effects on leaf chlorophyll content and antioxidant enzyme activities were examined. The results showed that: 1) Under the combined stress of 0.2% PET and 5 mg/kg Cd, the chlorophyll a/b ratio of Taraxacum mongolicum increased by approximately 0.49% compared with the control group, while it decreased by 0.55% at the 0.5% PET concentration; 2) The peroxidase (POD) activity in dandelion seedlings reached a maximum of 338.86 U/g under the synergistic treatment of 0.2% PET and 5 mg/kg Cd, which was 0.450% higher than that in the Cd-only stressed control group. Additionally, the adverse effect of Cd stress on superoxide dismutase (SOD) activity was significantly attenuated; 3) When exposed to the combined treatment of 0.5% PET and 5 mg/kg Cd, the SOD activity of dandelion began to exhibit a downward trend, ultimately decreasing by 0.970% at the 2% PET concentration compared with the Cd-only group. In conclusion, the synergistic interaction between PET and Cd significantly affects the chlorophyll content and antioxidant enzyme activities of Taraxacum mongolicum. Specifically, 0.2% PET has a minimal impact on the chlorophyll a/b ratio, can alleviate Cd-induced oxidative stress damage, and thereby mitigates the toxic effect of Cd.

1. 引言

采矿冶炼、化石燃料燃烧、污水排放及农药使用等人类活动，致使汞(Hg)、铜(Cu)、铅(Pb)、镉(Cd)、镍(Ni)等重金属持续输入土壤。因土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可降解性及生物累积性特征，污染物可沿食物链传递，严重威胁生态安全与人体健康，已成为全球性环境难题[1]。Cd在环境中具有强稳定性和富集性，通过食物链层层传递进入人类饮食中，进而对人群健康造成潜在威胁[2]。根据2014年《全国土壤污染调查公报》显示，Cd是土壤主要无机污染物之一，点位超标率达7.0%，且存在一定比例的重度污染(0.5%)。结合我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》，耕地土壤镉的风险筛选值多在0.3~0.6 mg/kg，重度污染通常指超过标准5倍以上(即1.5~3 mg/kg以上)。

微塑料(microplastics, MPs)污染加剧，受到了研究人员的重视。MPs是指粒径小于5 mm的塑料碎屑和颗粒，且数量庞大，通过多种途径进入水体和土壤，甚至被生物体摄入，对生态系统稳定和生物健康构成隐患[3]。重金属与MPs共存于土壤时，重金属离子可通过静电与络合作用，吸附于微塑料表面活性位点[4]，而MPs自身的疏水性、高比表面积及载体效应，进一步增强了其对重金属和有机污染物的吸附能力[5]。

蒲公英(Taraxacum mongolicum)分布广泛且对土壤要求不高，是一种药食同源植物[6]。试验以蒲公英为实验对象，PET与Cd协同对蒲公英进行胁迫试验，探究MPs与Cd对蒲公英的复合影响机制。研究成果为解析微塑料与重金属复合污染下植物的生理适应情况，揭示微塑料对重金属植物有效性的调控规律提供数据支撑，并为污染土壤生态修复技术研发及跨介质污染协同作用分子机制的探索奠定基础。

2. 材料与方法

2.1. 实验材料

供试蒲公英种子(发芽率 ≥ 85%，水分 ≤ 8.0%，低温春化)；供试Cd为分析纯氯化镉(CdCl₂·2.5H₂O，98%)，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料粒径为1 μm，购自天津大鹅科技有限公司。试验所需其他试剂购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

2.2. 实验设计

蒲公英种子采用3%过氧化氢溶液消毒15 min，然后用蒸馏水反复冲洗干净。将消毒后的种子播种于湿润的蛭石中，并于黑暗条件下对种子进行萌发。萌发后幼苗用霍格兰营养液培养，幼苗生长在温度25℃，光照强度10,000 lux、昼夜光周期12/12 h、相对湿度60%的生长室中。幼苗培养14天后进行实验处理。

本实验设置6个处理组(表1)，分别为CK、1、2、3、4、5组，3次平行重复，通过试验测试对蒲公英幼苗的影响。根据《全国土壤污染调查公报》和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》选取，Cd浓度5 mg/kg模拟Cd污染土壤。处理液在使用前经超声(100 W, 25 kHz)处理。为避免技术上的塑料污染，所有容器和设备在使用前都用蒸馏水彻底清洗。

Table 1. Experimental design of Cd and MPs combined stress

表1. Cd和MPs复合胁迫试验设计

处理组	CK	1	2	3	4	5
Cd浓度	0	5 mg/kg	5 mg/kg	5 mg/kg	5 mg/kg	5 mg/kg
PET浓度	0%	0%	0.2%	0.5%	1%	2%

2.3. 方法

1) 叶绿素含量的测定[7]

参照乙醇提取法，使用分光光度计于663 nm和645 nm波长下测定叶绿素a、b含量，并计算叶绿素a/b比值进行分析。

$��素 \text{a}=\frac{(12.72D663-2.69OD645)\times V}{1000\times W}$

$��素 \text{b}=\frac{\left(22.88OD645-4.68OD663\right)\times V}{1000\times W}$

OD：光密度值；

V：蒲公英叶绿素提取液体积(mL)；

W：蒲公英叶片鲜重(g)。

2) 抗氧化酶活性的测定[7]

采用愈创木酚法，以每分钟OD值变化0.01为一个活力单位，测定POD酶活性：

$\text{POD}�活性\left(U/g\right)=\frac{100\Delta A_{470}\times �提取液�体�\left(\text{mL}\right)}{�定用�液体�\left(\text{mL}\right)\times 反���\left(\min \right)\times �品�量\left(g\right)}$

采用氮蓝四唑法测定SOD酶活性(表2)。

Table 2. Reagents required for SOD enzyme activity determination

表2. 测定SOD酶活性所需试剂

加入试剂(mL)	调零(无光照)	对照(光照)	试验组
50 mmol/L磷酸缓冲液	3.5	3.5	3.5
130 mmol/L甲硫氨酸溶液	0.5	0.5	0.5
750 μmol/L氮蓝四唑溶液	0.5	0.5	0.5
100 μmol/L EDTA-Na2溶液	0.5	0.5	0.5
蒸馏水	0.5	0.5	0.4
酶粗提液	0	0	0.2
20 μmol/L核黄素溶液	0.5	0.5	0.5

$\text{SOD}�活性\left(U/g\right)=\frac{\left(A_{ck}-A_E\right)\times �提取液�体�\left(\text{mL}\right)}{0.5A_{ck}\times �定用�液体�\left(\text{mL}\right)\times �品�量\left(\text{g}\right)}$

3. 结果与分析

3.1. PET与Cd协同作用对蒲公英叶绿素含量的影响

在不同浓度的PET和5 mg/kg Cd的协同作用下，蒲公英的叶绿素a (Chla)和叶绿素b (Chlb)含量表现出显著变化(见图1、图2)，变化总体呈下降趋势。

以10 d (图1(c))为例，0.2% PET-Cd协同作用下蒲公英幼苗中Chla的含量最大为0.500 mg/g，与单独Cd胁迫相比增加了0.109 mg/g，增幅为0.279%；0.5% PET-Cd协同作用下幼苗中Chla的含量最低为0.232 mg/g，与单独Cd胁迫相比降低了0.159 mg/g，降幅为0.406%。这表明，0.2% PET-Cd的协同作用，减轻Cd对蒲公英Chla合成的抑制作用，降低Cd对Chla的合成的负面影响，甚至可能促进Chla的合成。而0.5% PET-Cd的协同作用对Chla的合成有明显抑制的作用。

PET-Cd协同作用下，蒲公英幼苗中Chlb含量随PET浓度的增高呈现下降趋势。以10 d (图2(c))为例，0.2% PET-Cd协同作用下蒲公英幼苗中Chlb的含量最小为0.493 mg/g，与单独Cd胁迫相比降低了0.337 mg/g。这表明0.2%PET-Cd协同作用，未能有效缓解Cd对Chlb合成的负面影响，甚至降低蒲公英Chlb的合成。而在0.5% PET-Cd处理组中Chlb的含量最高为0.890 mg/g，可见0.5% PET对Cd胁迫下蒲公英的Chlb合成影响最小，表明0.5% PET可以缓解Cd对蒲公英幼苗中Chlb合成的影响。

PET-Cd协同作用下蒲公英Chla/b比值变化见图3，以10 d (图3(c))为例，0.2% PET-Cd协同作用下蒲公英幼苗中Chla/b比值最高，为1.010，与单独Cd胁迫相比升高0.363；0.5% PET-Cd协同作用下蒲公英幼苗中Chla/b比值为0.507，与单独Cd胁迫相比降低了0.140。结果表明，0.2% PET-Cd协同作用下可通过影响叶绿素a、b的相对含量，增强植物对胁迫的光合适应能力；在0.5%PET-Cd协同作用下会干扰叶绿素代谢，导致Chla/b比值降低。

Figure 1. Effects of PET and Cd synergistic action on chlorophyll a content of Taraxacum mongolicum; (a) 1 day of stress; (b) 5 days of stress; (c) 10 days of stress; (d) 15 days of stress

图1. PET与Cd协同作用对蒲公英叶绿素a含量影响；(a) 胁迫1 d；(b) 胁迫5 d；(c) 胁迫10 d；(d) 胁迫15 d

Figure 2. Effects of PET and Cd synergistic action on chlorophyll b content of Taraxacum mongolicum; (a) 1 day of stress; (b) 5 days of stress; (c) 10 days of stress; (d) 15 days of stress

图2. PET与Cd协同作用对蒲公英叶绿素b含量影响；(a) 胁迫1 d；(b) 胁迫5 d；(c) 胁迫10 d；(d) 胁迫15 d

Figure 3. Changes of chlorophyll a/b ratio in Taraxacum mongolicum under PET and Cd synergistic action; (a) 1 day of stress; (b) 5 days of stress; (c) 10 days of stress; (d) 15 days of stress

图3. PET与Cd协同作用下蒲公英叶绿素a/b值变化；(a) 胁迫1 d；(b) 胁迫5 d；(c) 胁迫10 d；(d) 胁迫15 d

3.2. PET-Cd协同作用对蒲公英SOD酶活性影响

蒲公英的SOD酶活性在不同浓度PET-Cd的协同作用下表现出动态变化(见表3)，相比于Cd处理组，所有不同浓度的PET-Cd协同处理均显著增加了蒲公英SOD酶活性。

SOD酶活性随着PET浓度增加总体呈现出先上升后下降的趋势，表明低浓度PET可能和Cd协同作用减轻氧化应激，从而增强SOD酶的活性。然而，在PET浓度为0.5%~2%间，SOD酶活性虽仍高于单一Cd处理组的SOD酶活，但呈现波动性变化，说明高浓度PET-Cd协同作用对缓解氧化应激有限，PET-Cd协同作用对蒲公英SOD酶活性的影响并非简单线性关系，总体来看，PET对SOD酶活性的影响具有浓度依赖性，低浓度时表现为一定的积极促进作用，而高浓度时则可能产生负面抑制作用。

Table 3. Dynamic changes of SOD enzyme activity in Taraxacum mongolicum under synergistic action of different concentrations of PET and Cd

表3. 不同浓度PET与Cd协同作用下蒲公英SOD酶活性的动态变化

处理组	1d SOD值(U/g)	5d SOD值(U/g)	10d SOD值(U/g)	15d SOD值(U/g)
1	172.449 ± 0.001	23.364 ± 0.001	141.982 ± 0.002	452.83 ± 0.002
2	333.163 ± 0.001	186.916 ± 0.0005	308.989 ± 0.0005	1000 ± 0.0005
3	290.306 ± 0.001	172.897 ± 0.0005	297.242 ± 0.0005	547.17 ± 0.0005
4	304.592 ± 0.002	116.822 ± 0.001	282.431 ± 0.001	943.396 ± 0.001
5	214.286 ± 0.0005	65.421 ± 0.004	221.144 ± 0.001	877.358 ± 0.001

3.3. PET与Cd二者协同作用对蒲公英POD酶活性影响

不同浓度PET和Cd的处理下POD酶活性的变化趋势如图4所示，结果表明，不同条件下二者的协同作用对蒲公英POD酶活性有显著影响。

与CK处理组相比，单独Cd胁迫下蒲公英的POD酶活性有显著下降，在处理的第1 d、5 d、10 d、15 d时，降幅分别为0.326%、0.333%、0.380%、0.349%，可以看出单一Cd胁迫对蒲公英POD酶活性有明显的抑制作用，0.2% PET-Cd协同作用下蒲公英POD酶活性与PET浓度大于0.2%处理组相比，蒲公英POD酶活性达到峰值，可见0.2% PET与Cd协同作用下对蒲公英POD酶活性影响最小。表明低浓度PET能够有效缓解Cd诱导的氧化损伤，增加POD酶活性。随着PET浓度增加，POD酶活性逐渐下降，而在1%PET下POD酶活性最低，说明高浓度PET与Cd协同不仅无法缓解Cd对蒲公英造成的胁迫损伤，甚至可能加剧对其的毒性效应。

蒲公英POD酶活性对不同浓度下PET与相同浓度Cd的胁迫产生不同的响应，0.2%PET-Cd协同作用可明显消除Cd胁迫对蒲公英POD酶活性的影响。但随时间变化，测定的POD酶活性值有所变化，这可能与所处环境不同气温和光照强度以及合成和累积的代谢产物有关。

Figure 4. Trend of PET and Cd synergistic action on POD enzyme activity of Taraxacum mongolicum

图4. PET与Cd协同作用对蒲公英POD酶活性影响趋势

4. 讨论

4.1. 微塑料与重金属协同作用下对植物光合性能的影响

PET和重金属在土壤中单独存在时，在土壤孔隙中移动、与土壤颗粒吸附、沉淀，通过改变土壤物理性质、土壤中微生物群落结构，从而对植物生长造成影响。PET和重金属同时在土壤中经协同、吸附等作用胁迫植物生理和代谢组学发生改变，生物量和光合作用参数降低，以加剧重金属毒性[8]。蒲公英叶绿素含量的测定表明，除0.2% PET，PET和Cd协同作用下Chla含量和Chla/b分别低于CK和单一Cd胁迫试验组；除0.5% PET外Chlb含量都低于CK和单一Cd胁迫试验组，随PET浓度增高整体影响呈增加趋势。肖建勇[9]等研究发现高浓度聚乙烯(PE)与Cd的协同作用具有毒性效应与植株干质量、水分含量和叶绿素含量显著正相关。张静静[10]等研究了PE及钒复合胁迫下玉米叶片中光合色素含量的变化，指出适量的PE和钒复合胁迫下可提高玉米叶片的光合色素含量缓解钒胁迫对玉米造成的生长抑制，但不能完全消解钒的毒害。

但也有研究表明，微塑料和重金属复合胁迫对植物中叶绿素含量没有显著影响，Wang [11]等研究了PE和聚乳酸(PLA)分别在5 μg/g Cd土壤中复合胁迫下对玉米叶片的叶绿素含量的影响。发现PE对叶绿素含量没有显著影响，而PLA在质量分数为10%时引起叶绿素含量变化。

4.2. 微塑料与重金属协同作用下对植物抗氧化酶活性的影响

SOD酶作为植物抗氧化防御系统的关键酶，在清除活性氧(ROS)、维持细胞氧化还原平衡中发挥核心作用[12]。微塑料通过物理阻塞或机械穿刺损伤植物根系，破坏根表皮细胞完整性[13]。根系功能受损引发植物营养吸收障碍，间接诱导SOD酶活性变化。重金属复合胁迫下SOD酶活性均处于降低状态，且随胁迫浓度梯度递增呈下降趋势[14]。金芬芬[15]等研究发现，低浓度重金属胁迫初期，通过激活SOD基因表达增强抗氧化能力。高浓度重金属导致ROS过度累积，超出SOD酶清除能力，引发膜脂过氧化和蛋白质氧化损伤，最终抑制SOD酶活性。

POD酶还原需NADPH，重金属胁迫干扰植物碳氮代谢平衡，破坏叶绿素合成，削弱光合同化能力，降低NADPH供应影响POD酶的合成与功能。刘玲[16]等研究在一定浓度下的单一重金属胁迫对水稻根系生长、丙二醛和超氧自由基的产生及对POD、SOD活性的抑制作用均强于单一微塑料胁迫。王晓维[17]等研究铜(Cu)对玉米胁迫发现POD酶活性随着Cu浓度增加呈上升趋势。与朱若琳[18]等研究钼(Mo)与微塑料单一、复合胁迫对紫花苜蓿幼苗的生长和抗氧化能力均产生一定的负面影响，且随着浓度的增加植株的损伤程度增加。复合胁迫时，低浓度的微塑料可缓解钼胁迫造成的氧化损伤，而高浓度的微塑料会加剧钼单一胁迫的损伤。蒲公英叶绿素含量的测定结果表明，PET-Cd协同作用下结果具有相似性，在PET-Cd的协同作用下对蒲公英POD酶活性进行分析，0.2%PET可以缓解Cd对蒲公英POD酶活性毒害。

5. 结论

0.2% PET-Cd协同对蒲公英Chla合成促进作用明显；0.5%PET-Cd协同对蒲公英Chlb合成促进作用明显；Cd抑制蒲公英SOD、POD酶活性，0.2%PET可缓解这种抑制，随PET的浓度增大，SOD、POD酶活性持续降低。

基金项目

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(S202510235004)、大庆师范学院创新创业训练计划项目(2024xj020)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。