基于微生物剂改善微塑料对青稞营养品质的影响研究

作     者：向鹏 

作者单位：成都大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李强

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：青稞 微塑料 微生物剂 营养品质 食品安全 

摘      要：微塑料（MPs）是一种新兴的有机污染物,已被证实比塑料危害更大。MPs污染已被纳入农业生态系统的环境和生态学研究中,并被认定为该领域的第二大科学挑战。土壤中的MPs很容易进入到植物生物质中,最终通过食物链威胁到人们的食品与卫生安全。青稞是我国广泛分布的一种谷类作物,含有多种活性成分,如β-葡聚糖、酚类、黄酮类和活性多肽。它不仅在缓解粮食短缺、带动地方经济方面发挥着重要作用,也在开发高附加值食品、保健品、药品等方面有着广阔前景。研究认为,土壤中的MPs能够显著影响农作物的生长。然而目前MPs对青稞幼苗和籽粒营养品质和安全性的影响尚未被系统揭示。本试验系统研究了MPs对青稞营养品质和安全性的影响,并通过制备一种微生物菌剂,以改善MPs胁迫下青稞的营养品质。主要研究结果如下: （1）研究了不同浓度（10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L）聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）对青稞生长生理指标的影响,并使用代谢组学揭示了青稞根部对暴露于不同浓度PS-MPs下代谢物的变化与响应机制:结果表明,低浓度（10 mg/L）和中浓度（50 mg/L）的PS-MPs可以增加青稞叶片和根部的生物量和长度,而高浓度（100 mg/L）PS-MPs显著降低了青稞叶片和根的生物量和长度（P0.05）。激光共聚焦扫描显微镜成像显示出MPs在青稞根部富集。PS-MPs暴露增加了抗氧化活性水平,表明青稞通过氧化应激响应PS-MPs胁迫。代谢组分析发现,PS-MPs显著干扰了青稞Flavonoid biosynthesis,Pyrimidine metabolism,Purine metabolism,Fatty acid biosynthesis,Phenylpropanoid biosynthesis代谢途径。 （2）研究了不同浓度（1 g/m、10 g/m、50 g/m）和粒径（1-5 mm,1 mm）的PS-MPs对青稞农艺性状和营养品质的影响研究:田间试验表明,小粒径PS-MPs处理导致千粒重显著降低,对农艺性状无显著影响;大粒径PS-MPs处理显著降低了穗长、穗宽和芒长,而对其他农艺性状（包括千粒重）无显著影响（P0.05）。大粒径PS-MPs处理显著增加了青稞总黄酮的含量,最高提高了11.63%;降低了总淀粉、脂肪、总多酚和维生素C的含量,最高降幅分别为2.85%、14.16%、12.20%和14.41%,同时也降低了Ca、Zn、Na元素的含量,而对其他营养无显著影响;小粒径PS-MPs处理显著增加了青稞总多酚和维生素E的含量,分别提高了23.17%和22.21%;降低了脂肪和维生素C的含量,分别高达19.91%和8.10%,同时也降低了Zn元素的含量,而对其他营养无显著影响（P0.05）。 （3）PS-MPs降解菌的筛选和微生物菌剂的制备:从受塑料严重污染的城市河流和土壤中分离出的Stenotrophomonas maltophilia,Bacillus velezensis,and Acinetobacter radioresistens组成的单一细菌和细菌联合培养物对PS-MPs的降解情况。单菌降解60 d后,PS-MPs最大失重率约为16.7±0.6%（半衰期为251.1d）;双菌混合降解60 d后,PS-MPs最大失重率约为43.5±0.8%（半衰期74.9d）;三菌混合降解60 d后,PS-MPs最大失重率约为17.0±0.2%（半衰期224.2d）。我们发现,经Stenotrophomonas maltophilia和Bacillus velezensis降解后,PS-MPs的最大失重率为43.5±0.8%,为最佳的细菌组合。此外,我们利用扫描电子显微镜、水接触角、高温凝胶色谱法、傅立叶变换红外光谱法和热重分析观察到PS-MPs的结构、形态、疏水性、分子量和化学变化,证实了微生物菌群对PS-MPs的生物降解作用。 （4）微生物剂对青稞营养品质的影响:田间试验表明,接种微生物菌剂处理后,大粒径的PS-MPs重量减少了19.9%,而小粒径的PS-MPs降解程度更高。仅接种微生物菌剂处理显著提高了青稞籽粒总蛋白、总糖、总黄酮和总多酚的含量,分别提高了21.44%、45.79%、18.14%和28.6%。与只添加大粒径PS-MPs处理组相比,接种微生物菌剂处理后,青稞籽粒中脂肪、总多酚和维生素C的含量分别显著增加了32.01%、39.15%和10.53%;淀粉、β-葡聚糖和维生素E的含量分别减少了12.24%、2.8%和12.70%（P0.05）。与只添加小粒径PS-MPs处理组相比,接种微生物菌剂处理后显著增加了青稞籽粒中脂肪、总糖、β-葡聚糖和维生素C的含量,分别增加了30.39%、43.55%、3.97%和16.6