嘉陵江沿岸土壤微塑料污染特征及真菌对微塑料/塑料溶出物的响应研究

摘要

塑料由于其疏水、难降解、密度小等特性，在自然界中无处不在，无论是近海岸沙滩还是深海沉积物中，无论是内陆土壤还是极地冰川中，甚至是大气降尘中均有塑料颗粒存在。塑料易被误认为食物被动物摄食，无法排出的塑料在生物体内积累引起胃肠道溃疡，还会成为新的载体转移微生物、重金属、持久性有机物等。定义粒径小于5mm的塑料为微塑料，研究其在环境中对真菌的影响有助于评估微塑料对生态系统产生的影响。　　本论文分两个部分，第一部分实地调研嘉陵江（重庆主城区北碚-渝中区）沿岸土壤微塑料污染，使用气浮法分离土壤中微塑料颗粒，进行筛选分类，并使用扫描电镜观察经过自然风化后，塑料表面形态；与此同时，使用ITS引物的方法测定土壤及土壤中提取出的微塑料表面的真菌多样性，进行对比分析。第二部分从微塑料微粒尺寸及塑料溶出物的角度探索真菌对塑料的响应研究。通过测定生物酶活性，木质素降解率，染料颜色变化来反映微塑料微粒及溶出物对真菌产生的影响；随后，使用SEM扫描电镜观察塑料表面生物膜的厚度；使用拉曼光谱分析塑料与真菌作用后，塑料表面分子结构变化；使用TOC分析仪和紫外光谱分析在人工太阳光辐射条件下，塑料溶出物的性质。　　本文主要研究内容和成果如下：　　①嘉陵江沿岸土壤中，微塑料的粒径分布范围为0.05-5mm，其中0.1-0.5mm的微塑料含量最多，0.05-0.1mm的塑料含量最少。粒径小于1mm的塑料个数沿水流方向减少，而粒径大于1mm的微塑料颗粒个数则相反。透明微塑料含量最高，其次是白色、黑色和彩色（红色、绿色、蓝色）微塑料。水边微塑料的平均丰度为13.40±11.17个/kg土壤，岸边微塑料的平均丰度为15.13±11.09个/kg土壤，土坡上微塑料的平均丰度为7.12±5.18个/kg土壤，由于土壤具有一定的固定作用，微塑料在一定范围内积累，迁移能力有限。沿嘉陵江流向，微塑料平均丰度逐渐减小，上游微塑料颗粒数目大于下游微塑料颗粒数目。农村地区由于使用农用地膜，塑料的丰度相对较高，因此，建议控制农村地区地膜的使用，增加农用地膜的重复使用频率，并进行统一回收与处理，进一步完善农村及经济较落后地区塑料垃圾回收、集中处理系统，研发并使用可生物降解塑料；城市地区塑料垃圾收集系统相对较完善，但仍要增加塑料制品的循环使用次数，并积极实施垃圾分类，争取从源头做到塑料垃圾减量化。　　②土壤介质与微塑料表面真菌群落发生明显的改变。微塑料表面真菌丰度和多样性均高于土壤，且塑料表面出现不存在于土壤中的菌属，例如曲酶、木酶；青霉属共存于土壤和微塑料中，但在塑料表面其丰度显著增加。在土壤环境中，每一个微塑料存在的位置成为一个新的微生物热点，微塑料吸附富集的有机污染物、重金属等物质可得到转化、降解。因此，微塑料热点需要得到进一步的关注与研究。　　③聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）碎片促进尖孢镰刀菌产漆酶，但抑制尖孢镰刀菌产锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶；随着PET碎片的减小，对锰过氧化物酶酶活的抑制作用增强；而漆酶和木质素过氧化物酶酶活未呈现明显的随PET粒径变化的趋势。尖孢镰刀菌降解木质素时，PET促进木质素过氧化物酶的活性，抑制锰过氧化物的活性，抑制木质素的降解率。当PET碎片较小时，更容易附着较厚的生物膜。尖孢镰刀菌在短时间内不会改变PET碎片的分子结构。木质素的降解是碳循环的限速步骤，木质素的降解率受到抑制，则二氧化碳的产生量减少，由此，环境中的微塑料有可能对减少二氧化碳通量产生积极的作用。　　④人工模拟太阳光照射条件下，塑料溶出物的TOC含量聚乙烯（PE）＞聚丙烯（PP）＞PET，滤除紫外光后，塑料溶出物TOC含量显著下降，但仍高于黑暗条件下塑料溶出物中TOC的含量。溶出物的吸光度趋势为：PE＞PP=PET＞暗对照＞光对照，滤除紫外光后，经过7天辐射，溶出物的吸光度趋势为：PE=PET＞PP＞暗控制＞光控制。本实验说明，不同的光辐射产生的塑料溶出物特征不同，白天与夜晚溶出物的产生也有区别；且PE最容易老化，在日常使用PE类塑料制品时应该多加注意。　　⑤PE溶出物对黄孢原毛平革菌产锰过氧化物酶的影响未显示出明显的剂量关系。反应初期，PE溶出物会刺激锰过氧化物酶的分泌，但是随反应时间延长，锰过氧化物酶最终灭活，PE溶出物浓度越高，锰过氧化物酶灭活越早。说明塑料及其溶出物对环境的消极影响是长期的。当塑料溶出物存在时，黄孢原毛平革菌和尖孢镰刀杆菌降解亚甲基蓝的能力增强，培养基褪色速度加快，且亚甲基蓝褪色速度：PE溶出物＞PP溶出物＞PET溶出物，但是没有明显的剂量关系。尖孢镰刀菌降解亚甲基蓝的能力大于黄孢原毛平革菌。本实验说明，PE随最易老化，但其溶出物的生物可利用性也最高。

目录

1绪 论

1.1 引言

1.1.1 研究内容

1.2 环境中微塑料污染现状

1.2.1 海洋生态系统微塑料污染

1.2.2 淡水和陆地生态系统的微塑料污染

1.2.3 环境中微塑料的危害

1.3 塑料溶出物对微生物及环境生态系统影响

1.4 微塑料样本采集、分离与检测

1.5 课题研究的目的、意义和研究内容

1.5.1 研究的目的和意义

1.5.2 技术路线

1.5.3 课题特色与创新之处

2嘉陵江沿岸土壤微塑料污染特征及微塑料表面真菌多样性研究

2.1 引言

2.2 区域概况

2.3 嘉陵江沿岸土壤微塑料样品采集、提取与表征

2.3.1 微塑料样品采集点分布及采样方法

2.3.2 土壤样品中微塑料提取方法

2.3.3 扫描电镜（SEM）表征环境微塑料

2.3.4 微塑料表面真菌多样性检测

2.4 结果与讨论

2.4.1 嘉陵江沿岸土壤微塑料形态及来源分析

2.4.2 嘉陵江沿岸土壤微塑料表面真菌多样性

2.5 本章小结

3微塑料PET微粒与尖孢镰刀菌相互作用及对木质素降解影响

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 试剂与材料

3.2.2 仪器

3.2.3 菌种

3.2.4 培养基的制备

3.2.5 微塑料粒径对尖孢镰刀菌酶学性质影响研究实验

3.2.6 尖孢镰刀菌产酶的测定方法

3.2.7 微塑料粒径对尖孢镰刀菌降解木质素影响研究实验

3.2.8 木质素降解率的测定

3.2.9 扫描电镜

3.2.10 拉曼光谱检测

3.2.11 阻抗测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 PET微粒对尖孢镰刀菌产酶的影响

3.3.2 尖孢镰刀菌对PET 表面形态影响

3.3.3 PET微粒对尖孢镰刀杆菌降解木质素效能影响

3.3.4 PET微粒对尖孢镰刀杆菌降解木质素过程中酶活释放的影响

3.3.5 尖孢镰刀菌作用下PET表面拉曼光谱变化

3.3.6 PET表面附着生物膜阻抗的变化

3.4 本章小结

4真菌对塑料溶出物响应研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验试剂和仪器

4.2.2 菌种的来源

4.2.3 塑料来源

4.2.4 培养基的制备

4.2.5 塑料溶出物制备实验

4.2.6 塑料溶出有机物紫外光谱扫描

4.2.7 溶出物TOC 检测

4.2.8 PE溶出物对锰过氧化物酶活性的影响

4.2.9 塑料溶出物对纯漆酶活性的影响

4.2.10 锰过氧化物酶的测定

4.2.11 塑料溶出物对染料的脱色降解

4.3 结果与讨论

4.3.1 塑料溶出物总有机碳（TOC）分析

4.3.2 塑料溶出物的紫外可见光谱特性

4.3.3 PE溶出物对黄孢原毛平革菌锰过氧化物酶活性的影响

4.3.4 PE、PP、PET溶出物对真菌降解染料的影响

4.4 本章小结

5结论与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参科研项目情况

C. 学位论文数据集

致 谢