《Plants》：Incubation Time and Size Effects of Biodegradable Mulch Microplastics on Lettuce Plantlets In Vitro
Mathilde Henrion,
Lluis Martin-Closas,
Iseult Lynch and
Ana M. Pelacho
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本文在可控的体外培养体系中，探究了可生物降解地膜（BDM）来源的微塑料（MPs）的粒径（5-2 mm, 2-0.2 mm, <0.2 mm等）及其在培养基中预孵育时间（0、1、2、8周）对生菜（Lactuca sativa）幼苗发育的动态影响。研究揭示了BDM MPs对植物的影响并非一成不变，而是由粒径和“老化”时间共同驱动：短期孵育（1-2周）抑制生长，尤其损害根系；而长期孵育（8周）反而促进叶片和根系的伸长。这凸显了评估BDM MPs环境风险时，必须考虑其动态演化过程。
1. 引言
可生物降解地膜（BDM）在农业中的应用日益广泛，旨在替代最终会在土壤中产生并积累微塑料（MPs，尺寸小于5 mm的塑料碎片）的传统塑料地膜。然而，BDM在环境中开始降解时，同样会产生MPs。这些BDM MPs的进一步破碎、与植物根系的接触以及在其完全生物降解前释放的化合物，可能会改变农业环境。目前关于BDM MPs对植物影响的研究结果常常相互矛盾，且MPs的粒径及其在土壤中存留（即“老化”）时间等关键决定因素很少被探索。本研究通过受控的体外生菜培养，旨在评估BDM MPs的粒径和孵育时间对植物发育的影响，假设其影响可能随MPs粒径减小和孵育时间延长而改变。
2. 结果
2.1. 一周孵育
初步实验测试了MPs混合物（未分筛）预孵育一周或新鲜添加对生菜的影响。结果表明，种子萌发不受影响。培养四周后，与未处理对照相比，添加新鲜MPs使幼苗显著增高，但叶片变窄；而预孵育一周的MPs则显著降低了根长和幼苗鲜重。在光合色素方面，暴露于预孵育MPs的幼苗叶绿素a、b和类胡萝卜素浓度显著升高，而暴露于新鲜MPs的则降低。
2.2. 两周孵育
实验将预孵育时间延长至两周，并测试了三种粒径分数（5-2 mm, 2-0.2 mm, <0.2 mm）的影响。萌发同样未受影响。总体而言，幼苗高度不受影响，但所有MPs处理均显著减缓了根伸长，且这种效应随MPs粒径减小而加剧，其中<0.2 mm的MPs使根长减少了32.5%。在鲜重方面，较大的MPs（5-2 mm）无显著影响，但较小的MPs（2-0.2 mm和<0.2 mm）显著降低了幼苗鲜重，且效应随粒径减小而增强。光合色素和脂质过氧化（MDA浓度）未受显著影响。
2.3. 八周孵育
实验进一步将预孵育时间延长至八周，并细分为四种粒径（5-2 mm, 2-0.5 mm, 0.5-0.2 mm, <0.2 mm）。结果与短期孵育截然不同。种子萌发仍不受影响。在长达四周的生长监测中，暴露于MPs的幼苗（所有粒径合并分析）从第二周起就比对照长出更多叶片，第二片叶的长度也始终显著更长。根系的变化更为显著：暴露于MPs的幼苗根系生长更快，超过一半的幼苗根系在第二周及以后就达到了至少52 mm长，显著早于对照；同时，根的分枝随着MPs粒径的减小而减少。
培养结束时的测量显示，幼苗高度无显著差异，但根系表现出显著变化。暴露于MPs显著增加了根长，且效应随MPs粒径减小而增强，其中<0.2 mm的MPs使根长增加57%，根鲜重增加24%。地上部（茎和叶）鲜重增加了16%。光合色素含量未受任何处理影响。
3. 讨论
3.1. 孵育时间驱动植物响应
短期孵育（1-2周）的BDM MPs抑制了生菜生物量和根的生长，这可能与聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）类BDM在孵育初期快速浸出的化合物（如邻苯二甲酸二丁酯、乙酰柠檬酸三丁酯）有关。而长达八周的孵育则减轻甚至逆转了抑制作用，促进了叶片和根系的发育。这可能是由于随着时间推移，添加剂发生降解或转化，产生了新的化合物组合。较长的孵育时间更能模拟MPs在农业环境中存留数周或数月后才与植物相互作用的真实情况。
3.2. 粒径依赖性效应受孵育时间调节
总体而言，MPs的粒径与其效应呈负相关，粒径越小，比表面积越大，化合物释放潜力越高。在两周孵育中，最小的MPs（<0.2 mm）对根生长的抑制最强。然而，在八周孵育后，最小的MPs却与最强的根伸长促进效应相关。因此，MPs粒径决定了潜在效应的大小，而预孵育时间则决定了效应的方向（抑制或促进生长）。
3.3. 根系是MPs效应的主要靶标
与地上部相比，根系对MPs的暴露响应更为强烈和特异。在八周预孵育后，BDM MPs促进了主根伸长，同时减少了侧根分枝，且这种模式随粒径减小而更明显。这种根构型的重编程，可能与BDM浸出的某些化合物（如甘油、二酰基甘油）在低浓度下具有类似激素的调节作用，并与生长素相互作用有关。
3.4. 茎叶发育呈现次级响应
茎叶生物量仅在1-2周MPs孵育时受到限制，在八周孵育后则与对照无异，甚至因叶片更多更大而略有增加。这表明茎叶的响应发生在根系发育改变之后，可能是根系变化导致的间接结果，而非BDM MPs对地上部组织的直接毒性。
3.5. 总体相关性与启示
短期暴露可能错误估计BDM MPs的效应。在真实农业环境中，BDM MPs会经历长期的物理化学转化。本研究采用的体外系统简化了环境复杂性，便于精确监测根系响应，揭示了MPs粒径和老化状态在环境风险评估中的重要性。未来需要在土壤和田间条件下进行进一步研究，以全面评估BDM MPs对农业生态系统的长期影响。
4. 材料与方法
实验使用符合EN17033:2018标准的可生物降解黑色地膜薄膜（主要成分为PBAT、热塑性玉米淀粉和植物油的混合物）作为BDM MPs来源。薄膜经液氮冷冻后研磨，并筛分成不同粒径组。将灭菌后的MPs以0.1% (w/w) 浓度加入组织培养管，然后注入Murashige and Skoog (MS)培养基。设置不同的预孵育时间（1、2、8周）后，播种表面灭菌的生菜种子。在受控环境（22°C, 16小时光周期）中培养28天，定期监测生长，最终测定形态生理指标（株高、根长、鲜重、干重）和生化指标（叶绿素a、b、类胡萝卜素、MDA浓度）。
