馮天朕,陳 蘇,*,陳 影,劉 穎,張曉瑩,晁 雷

微塑料與Cd交互作用對(duì)小麥種子發(fā)芽的生態(tài)毒性研究

馮天朕1,陳 蘇1,2*,陳 影1,劉 穎1,張曉瑩1,晁 雷2

(1.沈陽(yáng)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110044；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110068)

為探究微塑料、重金屬以及二者的交互作用對(duì)農(nóng)作物種子生長(zhǎng)特性的影響,選取小麥(L)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,開(kāi)展土壤中微塑料聚乙烯(mPE)和聚丙烯(mPP)(0,10,50,100,200,500,1000,5000和10000mg/kg)與重金屬鎘(Cd)(0,1和5mg/kg)單一及復(fù)合污染對(duì)種子萌發(fā)的影響研究.結(jié)果表明,在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的條件下,單一Cd污染對(duì)小麥種子萌發(fā)特性的影響表現(xiàn)為“低促高抑”規(guī)律,小麥種子的根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)隨著Cd濃度提升均呈抑制趨勢(shì).在單一微塑料污染條件下,mPE對(duì)小麥種子的發(fā)芽率基本表現(xiàn)為“低抑中促高抑”的規(guī)律,mPP 對(duì)小麥種子發(fā)芽率的影響為“低促高抑”.微塑料和Cd復(fù)合污染的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與單一微塑料污染對(duì)照組相比,微塑料和Cd復(fù)合污染會(huì)促進(jìn)小麥根與芽的生長(zhǎng),相比于mPE,復(fù)合污染下的mPP對(duì)于小麥根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)的促進(jìn)程度更大,且濃度范圍較廣(0～1000mg/kg).在Cd濃度為1mg/kg(Cd1)時(shí)mPE復(fù)合污染的小麥根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)大于Cd濃度為5mg/kg(Cd5)情況下mPE復(fù)合污染的長(zhǎng)度.在Cd1條件下mPP復(fù)合污染的小麥根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)小于Cd5情況下mPP復(fù)合污染的長(zhǎng)度,微塑料與Cd的復(fù)合污染對(duì)于芽的影響大于對(duì)根的影響.微塑料-Cd復(fù)合效應(yīng)對(duì)小麥種子發(fā)芽、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響總體上表現(xiàn)為促進(jìn)作用,在一定程度上緩解了單一污染物的毒害作用.

微塑料；Cd；復(fù)合污染；小麥；種子發(fā)芽

微塑料作為一種新型持久性污染物,已有大量研究發(fā)現(xiàn)其會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和各類(lèi)生物造成危害[1-2].另外,微塑料還可作為載體吸附和富集重金屬等污染物,直接或通過(guò)食物鏈傳遞危害生物體健康,因此微塑料與Cd的復(fù)合污染問(wèn)題也正越來(lái)越受到人們的重視[2-4].

近年來(lái)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國(guó)土壤中微塑料污染的現(xiàn)象較為嚴(yán)重.在渤海和黃海海灘土壤中,微塑料豐度在1.3～14712.5個(gè)/kg[5].同時(shí),在黃土高原,上海、云南、武漢及沈陽(yáng)的農(nóng)田土壤,云南河岸森林,黃河三角洲濕地,大遼河流域都存在微塑料污染[6-13].當(dāng)前報(bào)道土壤中微塑料類(lèi)型與占比各不相同,渤海、黃海沿岸土壤中微塑料主要類(lèi)型為PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯),這與黃河三角洲濕地、大遼河流域和河套灌區(qū)農(nóng)田土壤中微塑料主要類(lèi)型相同,均為PE、PP,沈陽(yáng)周邊農(nóng)田土壤中微塑料PE含量最高,其次為PP、PS[5,11-14].不同區(qū)域的微塑料污染種類(lèi)存在差異,且粒徑大小也有顯著不同.渤黃海沿岸與上海蔬菜農(nóng)田深層土壤中微塑料粒徑<1mm的部分均占60%左右,武漢城郊菜地土壤中的微塑料粒徑50～100μm占35.3%,黃河三角洲濕地蘆葦生長(zhǎng)點(diǎn)位土壤中微塑料以50μm以下粒徑占整體62.50%,大遼河流域土壤中微塑料粒徑在100～500μm占19.33%[5,9-12].土壤中除了存在微塑料污染問(wèn)題,重金屬也是我國(guó)農(nóng)田土壤中的典型污染物,因其巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)一直受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[15-16].在我國(guó)Cd污染耕地面積達(dá)1300萬(wàn)hm2,沈陽(yáng)張士污灌區(qū)便是其中的典型地區(qū),其土壤以及生長(zhǎng)植物中Cd的含量遠(yuǎn)高于清潔土壤背景值[16].Cd易被植物吸收并富集,最終通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)人類(lèi)長(zhǎng)期利用土壤與農(nóng)作物種植安全造成嚴(yán)重影響[17-18].在環(huán)境回收的微塑料發(fā)現(xiàn)其表面吸附多種重金屬(如鉛、銅、Cd、鉻、錳等),但是目前微塑料和重金屬之間的相互作用機(jī)制未得到足夠的重視,復(fù)合污染相關(guān)研究較少[19-21].

基于我國(guó)土壤環(huán)境污染現(xiàn)狀,微塑料和重金屬在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的共同暴露是不可避免的事實(shí),二者極可能會(huì)發(fā)生不同的交互作用[21-24].小麥作為典型模式植物,也是我國(guó)的代表性農(nóng)作物.因此,本文采用小麥作為供試植物,以重金屬Cd(Cd)和兩種土壤中廣泛存在的典型微塑料(聚乙烯(mPE)、聚丙烯(mPP))為研究對(duì)象,研究其單一及復(fù)合污染條件下對(duì)小麥種子萌發(fā)特性的影響,以便進(jìn)一步揭示土壤環(huán)境中微塑料與Cd的交互作用、了解土壤環(huán)境中微塑料與Cd復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),更有效地控制污染和危害,為微塑料和重金屬污染土壤的修復(fù)、土壤環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)制定提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試植物為小麥(,型號(hào):長(zhǎng)豐2112,采購(gòu)于陜西長(zhǎng)豐種業(yè)有限公司),供試土壤為草甸棕壤(采自沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)農(nóng)田,0～20cm表層土壤),土壤中未檢測(cè)出微塑料,基本理化性質(zhì)如下: pH6.55,陽(yáng)離子交換量為12.26cmol/kg,有機(jī)質(zhì)1.55%,速效氮(80.42mg/kg),速效磷(12.73mg/kg),速效鉀(76.91mg/kg),土壤中Cd濃度為0.03mg/kg.過(guò)氧化氫(H2O2,30%)分析純,氯化Cd(CdCl2·2.5H2O)分析純.實(shí)驗(yàn)中所用微塑料粒徑均為40～48μm,其中mPE購(gòu)于西格瑪生物試劑公司(CAS號(hào):434272-100g), mPP購(gòu)買(mǎi)于廣弘高分子材料經(jīng)營(yíng)部(中國(guó)東莞),小麥發(fā)芽所用恒溫培養(yǎng)箱為上海精宏隔水式電熱恒溫培養(yǎng)箱GNP-9160.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)采用土培方式,分別加入不同濃度微塑料mPP、mPE以及Cd溶液配置兩者單一、復(fù)合污染土壤,供試土壤過(guò)20目篩,以玻璃培養(yǎng)皿為容器,每皿土壤50.00g.土壤中微塑料mPP、mPE濃度設(shè)置均為0,10,50,100,200,500,1000,5000和10000mg/kg,Cd濃度分別為0,1,5mg/kg共27個(gè)處理.在土壤加入微塑料以及Cd后充分混勻,平衡一周,每個(gè)處理3次重復(fù).采用1.5% H2O2溶液浸泡健康飽滿(mǎn)的小麥種子20min,去離子水反復(fù)沖洗并浸泡4h后將其瀝干備用.選取小麥種子播種于土中,每皿10粒,補(bǔ)充適量的去離子水以補(bǔ)償蒸發(fā)水分,使土壤含水量保持為最大持水量的60%,放置恒溫培養(yǎng)箱中(25℃,無(wú)光照)培養(yǎng)2d后,計(jì)算種子發(fā)芽率,測(cè)量芽長(zhǎng)、根長(zhǎng).

1.3 測(cè)量方法

以幼芽達(dá)到種子長(zhǎng)度一半,根長(zhǎng)與種子等長(zhǎng)作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),2d后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、平均根長(zhǎng)和芽長(zhǎng).根長(zhǎng)度與芽長(zhǎng)度用1/10cm尺子人工測(cè)量.發(fā)芽率、芽伸長(zhǎng)(或根伸長(zhǎng))抑制率等指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

發(fā)芽率(GR)=(2d內(nèi)供試種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100% (1)

抑制率＝(對(duì)照-處理)/對(duì)照×100% (2)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果以(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示,采用SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用單因素方差分析中的LSD多重比較檢驗(yàn)不同處理間的結(jié)果差異顯著性,統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)為<0.05,復(fù)合實(shí)驗(yàn)采用雙因素方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 微塑料和Cd交互作用對(duì)小麥發(fā)芽率的影響

2.1.1 單一微塑料或Cd污染對(duì)小麥種子發(fā)芽率的影響 發(fā)芽率是衡量種子在污染物脅迫下萌發(fā)能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo).在微塑料暴露下,小麥種子的發(fā)芽率為 83.3%～100.0%(圖1),表明大部分小麥種子在微塑料影響下仍可萌發(fā),不同種類(lèi)的微塑料對(duì)其發(fā)芽影響有所差異.在mPE 的暴露下,小麥種子的發(fā)芽率基本表現(xiàn)為“低抑中促高抑”的規(guī)律.在mPE 濃度較低(10,50和100mg/kg)與較高(5000和10000mg/kg)的條件下對(duì)小麥種子的發(fā)芽表現(xiàn)出一定的抑制作用;在200mg/kg和500mg/kg mPE濃度下,發(fā)芽率高于空白對(duì)照組.相比而言,mPP 對(duì)小麥種子發(fā)芽率的影響為“低促高抑”,在濃度為10mg/kg時(shí),mPP促進(jìn)了小麥種子的發(fā)芽.濃度為 50mg/kg時(shí),發(fā)芽率與空白對(duì)照組數(shù)據(jù)基本相同.當(dāng)濃度升高至100mg/kg及以上時(shí)小麥種子的發(fā)芽受到抑制.在濃度為1000mg/kg時(shí),mPP對(duì)小麥種子的抑制作用達(dá)到最大,發(fā)芽率僅為83.3%.

在本實(shí)驗(yàn)中單一Cd污染對(duì)小麥種子發(fā)芽率這一指標(biāo)表現(xiàn)為抑制作用,在Cd濃度為0、1、5 mg/kg時(shí)的發(fā)芽率分別為96.70%、93.00%與89.70%,由此可知在單一Cd污染條件下小麥種子發(fā)芽率隨著Cd濃度增高呈下降趨勢(shì).

2.1.2 微塑料和Cd復(fù)合污染對(duì)小麥發(fā)芽率的影響 在微塑料與Cd的交互作用下,小麥種子的發(fā)芽率為 56.7%～100.0%(圖2),表明大部分小麥種子仍可萌發(fā),但不同種類(lèi)微塑料、不同濃度Cd污染影響下,小麥種子發(fā)芽情況差異較大.

如圖2(a)所示,mPE與Cd復(fù)合污染整體發(fā)芽率為56.7%～100.0%.總體而言,除mPE濃度為0外,Cd1實(shí)驗(yàn)條件下(Cd濃度為1mg/kg下同)的小麥種子發(fā)芽率均大于Cd5 (Cd濃度為5mg/kg下同).在mPE與Cd1的復(fù)合污染實(shí)驗(yàn)條件下,發(fā)芽率為80%～100%.隨著mPE濃度提升,在10mg/kg～100mg/kg濃度范圍內(nèi)為促進(jìn)作用,超過(guò)200mg/kg后呈抑制作用.在mPE與Cd5實(shí)驗(yàn)條件下,小麥種子的發(fā)芽率為56.7%～95.0%.隨著mPE濃度的提升發(fā)芽率呈明顯下降趨勢(shì),除mPE濃度為50mg/kg以外,其他mPE濃度條件下的發(fā)芽率均低于單一Cd污染條件下發(fā)芽率,在濃度為200mg/kg與500mg/kg時(shí)抑制程度最大,發(fā)芽率僅為56.7%.

圖1 單一微塑料暴露下的小麥種子發(fā)芽率

柱上字母不同表示處理間差異顯著(<0.05),下同

mPP與不同濃度Cd的復(fù)合污染條件下小麥種子發(fā)芽率如圖2(b)所示,整體發(fā)芽率為95%～100.0%.與Cd5實(shí)驗(yàn)條件相比,在mPP濃度為0和500mg/kg時(shí),mPP與Cd1交互作用下的小麥種子發(fā)芽率均大于mPP與Cd5交互作用的發(fā)芽率.在mPP與Cd1的復(fù)合污染實(shí)驗(yàn)條件下,小麥種子的發(fā)芽率為96.7%～100%.隨著mPE濃度的提升,在10mg/kg～10000mg/kg濃度范圍內(nèi)對(duì)小麥種子發(fā)芽為促進(jìn)作用;在mPP與Cd5的復(fù)合污染實(shí)驗(yàn)條件下,可看出mPP對(duì)小麥種子的發(fā)芽呈明顯的促進(jìn)作用,僅在mPP濃度為500mg/kg時(shí)發(fā)芽率為96.7%,其他條件下均為100%.

2.2 微塑料和Cd交互作用對(duì)小麥根長(zhǎng)的影響

2.2.1 單一微塑料污染對(duì)小麥種子根長(zhǎng)和根長(zhǎng)抑制率的影響 如圖3所示,在單一微塑料mPE污染條件下, mPE對(duì)小麥根生長(zhǎng)起促進(jìn)作用,具體表現(xiàn)為在mPE濃度較高(>100mg/kg)時(shí)促進(jìn)作用強(qiáng)于mPE濃度低(<50mg/kg),特別的在濃度為5000mg/kg時(shí)對(duì)小麥根的生長(zhǎng)有一定抑制作用.在單一微塑料mPP污染條件下,由圖3可知mPP對(duì)小麥根的生長(zhǎng)影響為促進(jìn)作用.總體而言,單一微塑料對(duì)小麥種子根生長(zhǎng)影響相對(duì)較小.經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):相比于單一mPE微塑料污染,mPP微塑料污染對(duì)于小麥根伸長(zhǎng)量的影響更為明顯,顯著性=0.045.在單一微塑料mPE污染條件下,由表3可知,僅在mPE濃度為5000mg/ kg時(shí)對(duì)小麥根伸長(zhǎng)起抑制作用,整體為促進(jìn)作用.在10mg/kg～500mg/kg濃度范圍內(nèi),隨著mPE濃度升高,mPE對(duì)小麥根伸長(zhǎng)的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)并在500mg/kg時(shí)達(dá)到峰值,在500mg/ kg～5000mg/kg濃度范圍內(nèi),隨著mPE濃度升高促進(jìn)作用逐漸減弱并在5000mg/kg時(shí)抑制率達(dá)到最大值3.7%,在10000mg/ kg濃度條件下mPE又轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用.

圖3 單一微塑料暴露下小麥種子的根伸長(zhǎng)

在單一微塑料mPP污染下,由表1可知mPP在濃度小于200mg/kg時(shí)小麥根伸長(zhǎng)抑制率為負(fù)值,表現(xiàn)為促進(jìn)作用并逐漸增強(qiáng).在濃度大于200mg/kg后小麥根伸長(zhǎng)抑制率隨著濃度增加抑制性增強(qiáng),繼而在5000mg/kg和10000mg/kg濃度條件時(shí)表現(xiàn)為促進(jìn)作用.二者比較而言,在50mg/kg～200mg/kg濃度范圍,單一微塑料對(duì)小麥種子根的伸長(zhǎng)影響都為促進(jìn)作用,但在500mg/kg～5000mg/kg濃度范圍內(nèi)mPE與mPP對(duì)小麥根伸長(zhǎng)量的影響完全相反.

表1 單一微塑料暴露下小麥種子的根伸長(zhǎng)抑制率(%)

2.2.2 單一Cd污染對(duì)小麥種子根長(zhǎng)的影響 Cd污染對(duì)小麥種子的生長(zhǎng)特性指標(biāo)基本表現(xiàn)為“低促高抑”的規(guī)律,在單一Cd污染條件下,小麥根長(zhǎng)分別為1.07cm(Cd0), 1.77cm(Cd1), 1.68cm(Cd5).可知在Cd濃度為1mg/kg和5mg/kg時(shí),對(duì)小麥種子的根長(zhǎng)均表現(xiàn)為促進(jìn)作用,本實(shí)驗(yàn)中所采用的Cd濃度未到抑制小麥根伸長(zhǎng)的濃度,所以相對(duì)于空白處理為促進(jìn)作用但整體呈下降趨勢(shì),與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[17-18].

2.2.3 微塑料和Cd復(fù)合污染對(duì)小麥種子根長(zhǎng)和根長(zhǎng)抑制率的影響 由圖4(a)可知,在Cd1與不同mPE濃度下小麥根長(zhǎng)小于同濃度mPP小麥根長(zhǎng),差值最大為0.837cm.在mPE與Cd1的復(fù)合污染條件下,小麥根長(zhǎng)在50～1000mg/kg濃度范圍為抑制狀態(tài),其他條件下為促進(jìn);在mPP與Cd1的復(fù)合污染條件下,除50mg/kg與100mg/kg條件外,其余濃度均處于抑制狀態(tài).由圖4(b)可知,在Cd5實(shí)驗(yàn)條件下同濃度mPP小麥根長(zhǎng)大于同濃度mPE小麥根長(zhǎng),差值最大1.556cm.在mPE與Cd5交互作用下,小麥根長(zhǎng)均處于抑制狀態(tài);在mPP與Cd5的復(fù)合污染條件下,小麥根長(zhǎng)均處于促進(jìn)狀態(tài).總體而言,在微塑料與Cd的復(fù)合污染條件下,mPP小麥根長(zhǎng)總大于同一Cd濃度影響下mPE的小麥根長(zhǎng).且mPE與Cd1交互作用下小麥根長(zhǎng)大于mPE與Cd5交互作用下的小麥根長(zhǎng);在mPP與Cd1交互作用下小麥根長(zhǎng)小于mPP與Cd5交互作用下的小麥根長(zhǎng).

由圖5可知,在Cd1實(shí)驗(yàn)條件下mPE和mPP在50～1000mg/kg濃度范圍內(nèi),根伸長(zhǎng)抑制作用相同,在mPE濃度為100～1000mg/kg時(shí),小麥根伸長(zhǎng)抑制率(7.12±3.07)%,在濃度大于5000mg/kg后抑制率反轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用.在mPP濃度大于200mg/kg時(shí),小麥根伸長(zhǎng)抑制率(9.61±3.1)%.在Cd5實(shí)驗(yàn)條件下,mPE和mPP根伸長(zhǎng)抑制率完全相反.mPE在0～200mg/kg濃度范圍內(nèi)小麥根伸長(zhǎng)抑制率隨著微塑料濃度的增加而逐漸上升,在mPE濃度大于200mg/kg后下小麥根長(zhǎng)抑制率一直保持在(37.95±7.99)%范圍內(nèi).mPP在全部濃度范圍內(nèi),小麥的伸長(zhǎng)抑制率均為負(fù)值,對(duì)小麥根伸長(zhǎng)起促進(jìn)作用,在濃度100～5000mg/kg條件下根長(zhǎng)抑制率一直保持在(-33.62±5.23)%范圍內(nèi).

圖5 微塑料與Cd復(fù)合污染條件下小麥的根伸長(zhǎng)抑制率

2.3 微塑料和Cd交互作用對(duì)小麥芽長(zhǎng)的影響

2.3.1 單一微塑料污染對(duì)小麥種子芽長(zhǎng)和芽長(zhǎng)抑制率的影響 由圖6可知,除mPE濃度100mg/kg外, mPE對(duì)小麥芽的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用,濃度>500mg/kg時(shí),促進(jìn)作用較強(qiáng),在微塑料濃度<200mg/kg條件下促進(jìn)作用較弱,且在濃度為100mg/kg時(shí)小麥的芽伸長(zhǎng)受到了抑制作用.在單一微塑料mPP污染條件下,由圖6可知mPP 對(duì)小麥芽的生長(zhǎng)影響基本表現(xiàn)為促進(jìn)作用.但在500,1000mg/kg時(shí)mPP 對(duì)小麥的芽的伸長(zhǎng)有所抑制.二者相比情況下,除了微塑料在500和1000mg/kg濃度條件下單一mPE的影響大于單一mPP的影響,其余濃度條件下均為單一mPP的影響大于單一mPE的影響.

由表2可知,mPE僅在濃度為50mg/kg時(shí)對(duì)小麥芽伸長(zhǎng)起抑制作用,整體為促進(jìn)作用.在mPE濃度大于500mg/kg后隨著濃度升高,芽伸長(zhǎng)促進(jìn)作用減弱,抑制率最小值出現(xiàn)在200mg/kg(-33.3%).在單一微塑料mPP污染條件下,由表5可知mPP 在濃度小于200mg/kg時(shí)小麥芽伸長(zhǎng)抑制率為負(fù)值,該范圍內(nèi)芽長(zhǎng)抑制率一直保持在(-6.75±2.15)%.在200與5000mg/kg濃度時(shí)小麥芽伸長(zhǎng)抑制率隨著濃度增加抑制性減弱.mPE與mPP整體比較而言, mPE對(duì)小麥種子芽的伸長(zhǎng)促進(jìn)程度比mPP更顯著.

圖6 單一微塑料暴露下的小麥種子的芽伸長(zhǎng)

表2 單一微塑料露下小麥種子的芽伸長(zhǎng)抑制率(%)

2.3.2 單一Cd污染對(duì)小麥種子芽長(zhǎng)的影響 Cd污染對(duì)小麥種子的生長(zhǎng)特性指標(biāo)基本表現(xiàn)為“低促高抑”的規(guī)律,在單一Cd污染條件下, 小麥芽長(zhǎng)分別為0.49cm(Cd0), 0.69cm(Cd1), 0.64cm(Cd5).由此可得在Cd濃度為1和5mg/kg時(shí),對(duì)小麥種子的芽長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用.

2.3.3 微塑料和Cd復(fù)合污染對(duì)小麥種子芽長(zhǎng)和芽長(zhǎng)抑制率的影響 由圖7(a)可知在微塑料與Cd交互作用下, Cd1與mPP小麥芽長(zhǎng)大于mPE,差值最大0.097cm,最小為0.003cm,僅在10mg/kg濃度下mPE小麥芽長(zhǎng)大于mPP.由7(b)可知,Cd5實(shí)驗(yàn)條件下,僅0和10mg/kg濃度下mPE小麥芽長(zhǎng)大于同濃度mPP,其余濃度下均為mPP小麥芽長(zhǎng)大于mPE,差值最大為0.464cm,最小為0.038cm.總體而言,在微塑料與Cd的交互作用下,mPP小麥芽長(zhǎng)大于同濃度下mPE小麥芽長(zhǎng)的現(xiàn)象占大部分.在mPE與Cd1交互作用下小麥芽長(zhǎng)大于mPE與Cd5交互作用下的小麥芽長(zhǎng);在mPP與Cd1交互作用下小麥芽長(zhǎng)小于mPP與Cd5交互作用下的小麥芽長(zhǎng).

由圖8可知,在Cd1條件下,小麥芽伸長(zhǎng)抑制率在mPP與Cd的交互作用下為正值,即抑制作用,且隨著mPP濃度增加抑制作用增強(qiáng),在濃度>500mg/kg時(shí),抑制率為(11.785±0.945)%.除mPE濃度為10mg/kg的復(fù)合污染下對(duì)小麥的根伸長(zhǎng)為促進(jìn)作用,其余實(shí)驗(yàn)條件下根伸長(zhǎng)抑制率和變化趨勢(shì)與mPE相同,在濃度>500時(shí),抑制率為在(18.28±1.18)%.在Cd5條件下,mPE與mPP的小麥的芽伸長(zhǎng)除最低與最高兩個(gè)濃度外抑制率完全相反.抑制率隨mPE濃度的增加而上升,除在10mg/kg濃度外,根伸長(zhǎng)抑制率均為正值,對(duì)小麥芽伸長(zhǎng)起抑制作用.在200～1000mg/kg濃度范圍內(nèi),抑制率保持在(27.785±1.695)%.在mPP濃度為10000mg/kg時(shí)根伸長(zhǎng)抑制率為正值3.6%,對(duì)小麥的芽伸長(zhǎng)為抑制作用,其余濃度復(fù)合污染條件下均為負(fù)值,為促進(jìn)作用.在100～5000mg/kg濃度范圍內(nèi),抑制率保持在(-22.835±6.085)%.

圖8 微塑料與Cd復(fù)合污染1mg/kg和5mg/kg條件下小麥的芽伸長(zhǎng)抑制率

3 討論

植物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,其生長(zhǎng)不可避免地受到土壤環(huán)境的影響,小麥作為典型模式植物,通過(guò)針對(duì)其在微塑料PE、PP與重金屬Cd的復(fù)合污染條件下的毒理學(xué)影響,能夠更好地判斷與了解微塑料在自然環(huán)境中對(duì)于植物作用的機(jī)理.經(jīng)研究,將水芹種子暴露在微塑料中水培,種子發(fā)芽率明顯受到抑制,且粒徑大的微塑料的影響更大[25].PP和高密度聚乙烯(HDPE)抑制小麥發(fā)芽;低密度聚乙烯(LDPE)、可生物降解塑料地膜碎片對(duì)小麥種子生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用,而在本次試驗(yàn)中也出現(xiàn)了在高濃度微塑料污染的情況下發(fā)芽率有所下降的情況,與前人研究結(jié)果相吻合[26].有學(xué)者研究了塑料地膜對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響,結(jié)果顯示,塑料地膜高添加量(15000mg/kg)明顯抑制小麥芽和根的伸長(zhǎng),不僅如此,土壤中的微塑料會(huì)損害葉片光合系統(tǒng),阻礙蛋白質(zhì)的合成,在本實(shí)驗(yàn)中小麥在不同種類(lèi)高濃度微塑料污染情況下的芽與根伸長(zhǎng)抑制率均為正,抑制小麥發(fā)芽期的芽和根的伸長(zhǎng),與文獻(xiàn)[27-30]結(jié)果相同.李貞霞等[31]在通過(guò)研究土壤中微塑料和Cd交互作用對(duì)黃瓜葉片生理指標(biāo)的影響發(fā)現(xiàn),在Cd污染存在時(shí),土壤中微塑料對(duì)Cd的生物有效性影響具有部分減輕作用,單一的微塑料污染會(huì)影響植物的光合系統(tǒng),其影響機(jī)制可能與微塑料粒徑等有關(guān),文獻(xiàn)[32-33]對(duì)土壤中粒徑100～154μm的PE與Cd的交互作用對(duì)玉米生態(tài)毒性研究發(fā)現(xiàn):在微塑料10%(/)濃度下的玉米生物量和葉綠素含量明顯降低,土壤中微塑料的存在并未明顯引起植物組織中Cd濃度的改變,但是增加了土壤中可提取的Cd含量.在本文中高濃度微塑料(>500mg/kg)與Cd復(fù)合的污染條件下,二者表現(xiàn)為拮抗作用,微塑料在一定程度上可以減輕Cd對(duì)于植物的污染程度,與文獻(xiàn)[24]研究結(jié)果一致.某些學(xué)者研究表明,土壤中的mPET顆?？梢宰鳛樾←湼H中的Zn,Cd和Pb這3種重金屬由土壤向根際區(qū)轉(zhuǎn)移的載體,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料PS的存在可以部分減少小麥葉片中Cd的含量,并減輕Cd對(duì)小麥的毒性[31,33,35].結(jié)合該研究與本文結(jié)果,可推斷出微塑料在一定情況下可減緩植物對(duì)于土壤內(nèi)Cd的吸收作用,并在一定程度上緩解Cd對(duì)于小麥的毒性效 應(yīng).

由此可知,不同種類(lèi)、濃度的微塑料與土壤中不同濃度的Cd污染的復(fù)合作用存在較大差異,微塑料能夠富集金屬離子,與水環(huán)境類(lèi)似,微塑料在土壤環(huán)境中也可以增強(qiáng)污染物對(duì)生物體的毒性效應(yīng),即抑制小麥種子的根伸長(zhǎng)與芽伸長(zhǎng)[20].僅以實(shí)驗(yàn)中1mg/kg的Cd污染條件為例:在該濃度Cd污染與mPE(500和1000mg/kg)的復(fù)合污染條件下可能損害了小麥種子組織,最終導(dǎo)致小麥根與芽伸長(zhǎng)受到抑制.此外,微塑料也降低Cd染物對(duì)生物體的毒性效應(yīng),即促進(jìn)小麥種子的發(fā)芽,如mPP(500和1000mg/kg)在該復(fù)合污染條件下,反而促進(jìn)了小麥種子的根伸長(zhǎng)與芽伸長(zhǎng).不同種類(lèi)的微塑料對(duì)重金屬Cd的吸附能力具有差異,且對(duì)不同濃度的重金屬Cd的吸附能力不同,因此推斷微塑料與重金屬聯(lián)合作用對(duì)植物的作用機(jī)理差異較大,仍然需要一步研究.

4 結(jié)論

4.1 在一定的濃度范圍內(nèi)(100～10000mg/kg),單一微塑料處理對(duì)小麥種子的影響多為抑制作用,mPE對(duì)小麥種子的發(fā)芽影響表現(xiàn)為“低促高抑”的規(guī)律;PP對(duì)小麥種子的發(fā)芽作用“低抑中促高抑”,在mPP濃度為1000mg/kg時(shí)發(fā)芽率出現(xiàn)最低值83.3%.

4.2 在本文所設(shè)定濃度的Cd脅迫下,單一Cd污染對(duì)小麥種子芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)的規(guī)律,發(fā)芽率有所下降,但對(duì)小麥種子根伸長(zhǎng)的抑制率高于單一微塑料,且1mg/kg條件下小麥種子根長(zhǎng)芽長(zhǎng)均大于1mg/kg條件下芽長(zhǎng)與根長(zhǎng).

4.3 與對(duì)照組相比:在復(fù)合污染存在時(shí),mPP-Cd復(fù)合污染促進(jìn)小麥種子發(fā)芽,而mPE-Cd復(fù)合污染抑制其發(fā)芽,抑制程度最大條件為Cd5與200mg/ kgmPE復(fù)合污染,發(fā)芽率僅為56.67%;微塑料-Cd復(fù)合污染對(duì)小麥種子根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為促進(jìn)作用,且相對(duì)于小麥根的影響,微塑料-Cd復(fù)合污染對(duì)于芽的影響更為強(qiáng)烈.

4.4 與對(duì)照組相比:高濃度mPE(>5000mg/kg)和Cd的復(fù)合污染對(duì)種子根生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為促進(jìn)作用,mPP與Cd復(fù)合污染對(duì)小麥根伸長(zhǎng)基本表現(xiàn)為抑制作用; mPP和Cd1的復(fù)合污染條件下對(duì)種子發(fā)芽生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)多為抑制作用,但在Cd5條件下多為促進(jìn)作用,mPE和Cd的復(fù)合污染對(duì)種子發(fā)芽生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)絕大部分情況下為抑制作用.

4.5 整體而言微塑料-Cd復(fù)合污染對(duì)小麥種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的生長(zhǎng)表現(xiàn)出一定程度的抑制作用;但是與單一污染條件相比較,微塑料與Cd的復(fù)合效應(yīng)對(duì)小麥種子發(fā)芽、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響大致表現(xiàn)為促進(jìn)作用,二者復(fù)合污染條件下呈現(xiàn)拮抗作用,在一定程度上緩解了單一污染物的毒害作用.

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Study on ecological toxicity of microplastics and cadmium interaction on wheat seed germination.

FENG Tian-zhen1, CHEN Su1,2*, CHEN Ying1, LIU Ying1, ZHANG Xiao-ying1, CHAO Lei2

(1.College of Environmental Engineering, Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China；2.Shenyang Jianzhu University, College of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang 110068, China)., 2022,42(4)：1892～1900

In order to identify the behaviors of microplastics, heavy metals and their combined action on the growth characteristics of crop seeds, wheat () was selected as the experimental subject to conduct the research on the soil enriched microplastics polyethylene (mPE), polypropylene (mPP) (0, 10, 50, 100, 200, 500, 1000, 5000 and 10000mg/kg) and heavy metal cadmium (Cd) (0, 1 and 5mg/kg) single pollution toward seed germination respectively following by their combined effect. From the results derived from single pollution condition of Cd, low concentration of Cd exhibit promoted wheat germination accompanied by inhibition effect on high Cd concentration. Furthermore, both root and bud length displayed the inverse correlation with the Cd concentration. Under the single pollution condition of microplastic, the germination rate of mPE to wheat seeds basically showed a valley type that demonstrated two end are inhibited and medium concentration of mPE can promote the germination rate of wheat seeds. And low concentration of mPP exhibit promoted wheat germination accompanied by inhibition effect on high mPP concentration. In the experiment of microplastic and Cd combined pollution, the experiment result showed that microplastic and Cd compound pollution promoted elongation of wheat root and bud when compared to a single microplastic pollution control group. Under combined pollution, mPP promoted wheat root elongation and bud elongation more than mPE, and the concentration range was wider (0～1000mg/kg). The length of root and bud of wheat seeds contaminated pollute under mPE and Cd pollution (1mg/kg) was longer than that under mPE and Cd pollution (5mg/kg), but under the same conditions, the length of root and bud of wheat seeds contaminated with mPP and Cd pollution (1mg/kg) was shorter than that under mPP and Cd pollution (5mg/kg). The combined effect of microplastics and Cd on the germination, root and bud length of wheat seeds is generally shown as an accelerating effect, which relieves the toxic effect of a single pollutant to a certain extent.

microplastics；cadmium；combined effects；wheat ()；seed germination

X171.5,X53

A

1000-6923(2022)04-1892-09

馮天朕(1995-),男,山東聊城人,碩士研究生,主要從事污染土壤生態(tài)修復(fù).

2021-09-01

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2019-ZD-0556);遼寧省百千萬(wàn)人才工程項(xiàng)目(2018)

*責(zé)任作者, 教授, mailchensu@aliyun.com