劉靜 王培

不同粒徑聚氯乙烯微塑料對玉米種子發(fā)芽和幼苗生長的影響

劉靜 王培

（西安外事學院醫(yī)學院 陜西西安 710077）

為了研究微塑料對大田作物的生態(tài)毒理效應，選取了3種不同粒徑（75、2和0.1 μm）聚氯乙烯（PVC）微塑料4個濃度梯度（540、1 620、2 700和5 400 mg/kg），探討其對玉米（L.）種子發(fā)芽和幼苗生長的影響。結果表明，3種粒徑微塑料對玉米種子的發(fā)芽率均存在一定的抑制作用，其中2 μm粒徑對發(fā)芽率的抑制作用最大，發(fā)芽率33%～78%，且隨著濃度的升高，發(fā)芽率呈現(xiàn)“先降后升”的趨勢；3種粒徑PVC對株高、根長的影響整體均表現(xiàn)出抑制作用，抑制率分別為20.5%～73.6%（株高）、1.5%～39.7%（根長），與發(fā)芽率結果一致；2 μm粒徑PVC對株高和根長的影響最大，且與濃度呈正相關關系，葉綠素結果與此一致。綜上，PVC的植物毒性與粒徑和濃度密切相關，在中粒徑、中高濃度時，其對玉米幼苗生長的毒害作用最大。

微塑料；聚氯乙烯；玉米；種子發(fā)芽；幼苗生長

微塑料（Microplastic，MPs）是一種粒徑小于5 mm的塑料顆粒[1]，目前已成為全球性新型環(huán)境污染物。自2004年在海洋環(huán)境中發(fā)現(xiàn)該物質后，陸續(xù)在陸地、大氣環(huán)境中也檢測出微塑料殘留。塑料本身化學穩(wěn)定性高，極難降解，環(huán)境中殘留持久，給生態(tài)系統(tǒng)帶來了嚴重威脅[2]。因此微塑料作為一種新型的污染物已引起極大的關注。

與大顆粒微塑料相比，MPs粒徑較小，極易被生物攝取，在生物體內蓄積，并通過食物鏈最終危害人類健康。Li等[3]檢測了中國海鮮市場中常見的9種市售雙貝類動物，結果表明所有檢測貝類中均可檢測出微塑料，其中纖維占比一半以上。目前，對MPs毒理研究大多集中在水域系統(tǒng)，土壤生態(tài)系統(tǒng)研究較少。相關研究表明，土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是微塑料的主要儲存地[4]，農用塑料地膜殘留、污泥利用、有機肥施用、地表徑流、再生水灌溉、大氣沉降以及塑料垃圾填埋等[5-7]途徑導致大田中殘留的微塑料遠高于海洋。殘留在土壤中的微塑料可降低土壤生物活性、營養(yǎng)元素循環(huán)，從而延緩種子萌發(fā)、影響作物種子的發(fā)芽及幼苗生長，并對植物產生生態(tài)毒性和遺傳毒性[8-9]。

聚氯乙烯（PVC）是我國塑料大棚、日光溫室等常用的保溫保濕農膜。大量殘留PVC膜老化分解成粒徑較小的微塑料。本研究選擇PVC為研究對象，以我國重要的作物之一玉米（L.）為供試植物，探究不同粒徑PVC微塑料對玉米發(fā)芽、幼苗生長的影響，旨在探究大田土壤中微塑料對農作物的生態(tài)毒理效應，為了解微塑料對植物的風險評價提供科學依據(jù)

1 材料與方法

1.1 材料

供試玉米為華耐種業(yè)黑甜糯631玉米；聚氯乙烯粉（粒徑分別為75、2和0.1 μm）購自于東莞市晴天塑料原料公司；石英砂購自于銘海環(huán)保石英砂長，粒徑70～120 μm。

1.2 方法

1.2.1 微塑料鑒定 傅里葉紅外光譜儀（Fourier Transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR；IRAffinity-1，日本島津）辨識PVC表面官能團。光譜為400～4 000 cm?1，掃描次數(shù)20次，分辨率4；粒徑分布采用激光粒度分析儀(LS-909，中國 OMEC儀器有限公司)測定。

1.2.2 試驗設計 選取均一飽滿的玉米種子，在10%次氯酸鈉溶液中震蕩清洗30 min，去離子水沖洗并浸泡6 h，放在吸水紙上備用。

PVC按照粒徑的大小設置為3組試驗組，分別為大粒徑組（75 μm）、中粒徑組（2 μm）以及小粒徑組（0.1 μm）。PVC的添加量以大田土壤農膜殘留量151 kg/hm2為標準[2]，換算成盆栽添加量為54 mg/kg，同時根據(jù)預試驗的結果，每組選取的微塑料添加量分別為540（10倍殘留量）、1 620（20倍）、2 700（50倍）及5 400（100倍）mg/kg。

試驗所用培養(yǎng)基質為石英砂[10]，使用前測定石英砂的飽和含水量。種植玉米前，按照石英砂飽和含水量的70%添加去離子水。按照上述微塑料添加濃度向石英砂中加入PVC，充分混合后，將混合物放入50 mL塑料杯中。每個濃度設置6組平行，每個平行3粒種子。使用保鮮膜將塑料杯密封，用注射器在保鮮膜上戳出小孔，用于氣體交換。放入光照培養(yǎng)箱（MGC-300A，上海一恒）中培養(yǎng)。光周期為16/8 h（晝/夜）、溫度為27/23℃（晝/夜）、濕度為75%、光合有效輻射（PAR）為300 μmol/m2/s。從第3天開始每日補充去離子水以補償蒸發(fā)水分，測定系列理化指標?？瞻讓φ战M不添加微塑料，其余操作與試驗組一致。

1.2.3 植株指標測定 培養(yǎng)3 d后，第4天觀察玉米種子的發(fā)芽情況，統(tǒng)計不同試驗組發(fā)芽率（發(fā)芽以種子胚根長度達到種子長度的1/2為標準）；第8天，用游標卡尺測定苗長、根長。

1.2.4 理化指標測定 第8天收獲，然后用游標卡尺測定苗長、根長。葉綠素a和葉綠素b提取方法主要參考廖苑辰等[11]。稱取200 mg的玉米幼苗葉片，液氮研磨后加入25 mL 80%丙酮，離心取上清（4 800 r/min，10 min）。提取的試液用酶標儀（Victor Nivo，PerkinElmer，USA）測定663和645 nm波長下的吸光值，采用如下公式計算色素含量：

=12.21×663? 2.81×645（1）

=20.13×645– 5.03×663（2）

其中，和分別表示葉綠素a和葉綠素b的濃度（mg/L）；663和645分別為對應波長的吸光值。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析 試驗數(shù)據(jù)均以（平均值±標準差）格式表示。Origin 2018作圖、SPSS 23.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）進行單因素方差分析，<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 微塑料表征

MPs是加聚形成的高分子化合物，其分子排列有序。圖1為PVC的FTIR圖，約在616 cm?1處為C-Cl平面振動引起；在1 400～1 500 cm?1處的峰主要為C-H或者C-C振動引起；約2 925 cm?1處的峰是—CH、—CH2和—CH3等脂肪族結構的C-H伸縮振動產生[12]。經與島津傅里葉紅外常規(guī)譜庫比對，確定微塑料為PVC。粒徑90%都處在目標粒徑范圍內。

圖1 聚氯乙烯FTIR圖（左）、粒徑分布圖（右）

2.2 微塑料對玉米種子發(fā)芽率的影響

種子發(fā)芽率是表明玉米種子在微塑料暴露條件下其發(fā)芽能力大小的主要指標。不同粒徑、不同濃度微塑料對玉米種子平均發(fā)芽率的影響如圖2所示。玉米種子平均發(fā)芽率表現(xiàn)出明顯的差異。其中對照組（CK）發(fā)芽率為100%，中粒徑(2 μm組)處理玉米發(fā)芽率明顯低于CK，發(fā)芽率33%～ 78%；大粒徑（75 μm組）和小粒徑（0.1 μm組）處理后發(fā)芽率分別為92%～94%以及67%～78%。75 μm組對玉米幼苗生長影響不大，這與吳佳妮等[13]研究結果一致。

圖2 微塑料對玉米發(fā)芽率的影響

2.3 微塑料對玉米幼苗株高的影響

不同粒徑不同濃度PVC對玉米株高的影響如圖3-a所示。從圖中可以看出，CK組株高最長，玉米平均株高為6.08 cm；2 μm處理組對玉米株高影響最大，且隨著濃度的增大，抑制作用逐漸增強，5 400 mg/kg抑制率達到最大，為73.6%。75 μm處理組玉米株高抑制率為20.5%～27.3%，無明顯的濃度效應。0.1 μm處理組與空白對照組無顯著性差異。說明，中大粒徑（2和75 μm）高濃度（5 400 mg/kg）微塑料暴露可顯著降低玉米幼苗株高的生長。

不同粒徑不同濃度PVC對玉米根長的影響如圖3-b所示。與發(fā)芽率和株高結果一致，2 μm處理組對玉米根長的影響最大，抑制率17.8%～ 39.7%，其中5 400 mg/kg抑制率最大，為39.7%。大粒徑組和小粒徑組對玉米根長的影響與空白對照組相比，分別降低了2.3%～10.1%以及1.5%～ 11.8%。

圖3 微塑料對玉米株高（a）和根長（b）的影響

2.4 微塑料對玉米幼苗葉綠素的影響

葉綠素直接參與植物的光合作用，高等作物的葉綠素主要為葉綠素a和葉綠素b，其含量的多少可以反映出植物光合能力的強弱。由圖4-a和4-b可知，大粒徑和小粒徑PVC存在時，葉綠素與空白組無顯著差異，表明微塑料對玉米幼苗光合系統(tǒng)影響不大；中粒徑PVC存在時，葉綠素與空白組存在極顯著差異，表明中粒徑組對玉米幼苗生長影響最顯著，與根長和苗長的影響趨勢一致。

圖4 微塑料對玉米幼苗葉綠素a和b的影響

3 討論

目前有關微塑料的研究主要集中在海洋、湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)，以及微塑料對水生生物如藻類、魚類、貝類等毒理學效應研究，而農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微塑料和作物相互作用的研究相對缺乏，微塑料對作物的作用機制仍未知。本文以大田地膜的主要原料PVC為研究對象，探究3種不同粒徑（75、2和0.1 μm）聚氯乙烯微塑料在4個濃度梯度（540、1 620、2 700和5 400 mg/kg）下對玉米種子發(fā)芽和幼苗生長的影響。

研究結果表明，3種粒徑PVC對玉米種子的發(fā)芽均存在一定的抑制作用。其中中粒徑試驗組抑制作用最為明顯，且隨著濃度的升高，發(fā)芽率呈現(xiàn)“先降后升”的趨勢，抑制率最大為78%。這與吳佳妮等[13]研究結果一致。有研究結果表明，微塑料能夠吸附在種子、胚根和根毛的表面[14]，且種子在萌發(fā)階段對水分需求極高。因此，微塑料降低種子發(fā)芽率的原因可能在于吸附在種皮空囊上的塑料會降低植物對水分的吸收速度，進而抑制發(fā)芽。且不同粒徑PVC在不同濃度下的抑制作用程度不同是由MPs自身“化合物生物毒性效應”“物理毒性效應”和“環(huán)境介質”等因素的細微變化共同決定的[15]，相關作用機制目前尚不清楚。

3種粒徑PVC對株高、根長的影響整體均表現(xiàn)出抑制作用，抑制率分別為20.5%～73.6%（株高）、1.5%～39.7%（根長），同發(fā)芽率試驗一致，中粒徑試驗組抑制作用最大，且與濃度呈正相關關系。廖苑辰等[11]研究了聚苯乙烯（PS）對小苗生長及生理生化特性的影響，指出微塑料的毒理效應與粒徑和濃度密切相關。粒徑5 μm較0.1 μm的PS對小麥的根、莖表現(xiàn)出更大的毒性效應，且同粒徑中濃度越高，其對作物的影響可能越強。推測抑制作用可能是由于吸附在玉米種子或根部細胞壁孔洞，擾亂種子或根系正常的營養(yǎng)吸收與運輸，小粒徑由于容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，導致有效微塑料濃度降低，抑制效應減弱；大粒徑組由于比表面積小，不利于玉米對微塑料的吸附。因此表現(xiàn)出中粒徑組對玉米幼苗生長的抑制作用最強。

綜上，不論是總體還是局部的變化趨勢與規(guī)律，PVC對玉米種子根長、苗長的影響與其對玉米種子發(fā)芽率的影響基本一致。這說明二者的影響是相互關聯(lián)的，即PVC通過影響玉米種子的發(fā)芽率進而影響玉米種子的株高和根長。吳佳妮等[13]探究了20和100 nm兩種粒徑聚苯乙烯在6個濃度梯度下對大豆種子發(fā)芽和幼苗生長的影響，結果表明，聚苯乙烯對植物的毒性與粒徑和濃度密切相關，在中等濃度（200 mg/L）時，對大豆幼苗生長的毒害作用最大，與本文研究結果一致。

[1] Crawford CB, Quinn B. Microplastic pollutants[M]. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science, 2016.

[2] 安菁, 劉歡語, 鄭艷, 等. 土壤微塑料殘留對大豆幼苗生長及生理生化特征的影響[J]. 四川農業(yè)大學學報, 2021, 39(1): 41-46+113.

[3] Li J, Yang D, Li L, et al . Microplastics in commercial bivalves from China[J]. Environ Poll, 2015, 207: 190-195.

[4] Nizzetto L, Futter M, Langaas S. Are agricultural soils dumps for microplastics of urban origin? [J]. Environ Sci Technol, 2016, 50(20): 10 777-10 779.

[5] Zhou B, Wang J, Zhang H, et al. Microplastics in agricultural soils on the coastal plain of Hangzhou Bay, east China: Multiple sources other thanplastic mulching film[J]. J Hazard Mater, 2019, 388: 121 814.

[6] Allen S, Allen D, Phoenix V R, et al. Atmospheric transport and deposition of microplastics in a remote mountain catchment[J]. Nat Geosci, 2019, 12: 339-344.

[7] Crossman J, Hurley R R, Futter M, et al. Transfer and transport of microplastics from biosolids to agricultural soils and the wider environment[J]. Sci Total Environ, 2020, 724: 138-334.

[8] 李連禎, 周倩, 尹娜, 等. 食用蔬菜能吸收和積累微塑料[J]. 科學通報, 2019, 64(9): 928-934.

[9] 劉鎣鎣, 張旗, 崔文智, 等. 聚乙烯微塑料對綠豆發(fā)芽的毒性研究[J]. 環(huán)境與發(fā)展, 2019, 31(5): 123-125.

[10] 鄧桂榮, 何穎妍, 陳燕玲, 等. 不同處理的石英砂對5種植物種子發(fā)芽和根長的影響[J]. 種子, 2017, 36(12): 89-91+92.

[11] 廖苑辰, 娜孜依古麗·加合甫別克, 李梅，等. 微塑料對小麥生長及生理生化特性的影響[J]. 環(huán)境科學, 2019, 40(10): 4 661-4 667.

[12] 林陸健, 湯帥, 孫璇, 等. 鉛離子和四環(huán)素在微塑料表面的吸附機理與協(xié)同效應[J]. 環(huán)境科學學報, 2021, 41(10): 4 022-4 031.

[13] 吳佳妮, 楊天志, 連加攀, 等. 聚苯乙烯納米塑料(PSNPs) 對大豆(Glycine max) 種子發(fā)芽和幼苗生長的影響[J]. 環(huán)境科學學報, 2020, 40(12): 4 581-4 589.

[14] Bosker T, Bouwman L J, Brun N R, et al. Microplastics accumulate on pores in seed capsule and delay germination and root growth of the terrestrial vascular plant[J]. Chemosphere, 2019, 226: 774-781.

[15] Liu G, Jiang R, You J, et al. Microplastic impacts on microalgae growth: effects of size and humic acid[J]. Environ Sci Technol, 2020, 54(3): 1 782-1 789.

Effects of Polyvinyl Chloride Microplastics With Different Particle Sizes on Seed Germination and Seedling Growth of Maize

LIU Jing WANG Pei

(School of Medicine, Xi 'an International University, Xi’an, Shaanxi 710077, China)

In order to study the ecotoxicological effect of microplastics on field crops, the effects of three different particle sizes (75, 2 and 0.1mm) of PVC microplastics on seed germination and seedling growth of maize (L.) at four concentration gradients (540, 1 620, 2 700 and 5 400 mg·kg?1) were selected. The results showed that three kinds of particle size microplastics had certain inhibitory effect on the germination rate of maize seeds, and 2 μm particle size had the greatest inhibitory effect on the germination rate, and the inhibitory rate was between 33% and 78%. With the increasing of concentration, the inhibitory effect showed a trend of ‘first decreased and then increased’. The effect of three kinds of particle size PVC on plant height and root length showed inhibitory effect, and the inhibition rates were 20.5%～73.6% (plant height) and 1.5%～39.7% (root length), respectively. 2 μm particle size PVC had the greatest effect on plant height and root length, and was positively correlated with concentration. In conclusion, the plant toxicity of PVC was closely related to particle size and concentration, and it had the greatest toxic effect on maize seedling growth at medium particle size and high concentration.

microplastics; PVC; maize; seed germination; seedling growth

S46

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.10.005

2022-06-01；

2022-06-20

陜西省科技廳科學研究計劃項目（No. 2020JQ-916）。

劉靜（1984—），女，碩士，主要研究方向為生物化學，E-mail：liujing@xaiu.edu.cn。

王培（1990—），女，碩士，主要研究方向為農藥環(huán)境毒理，E-mail：wangpei@xaiu.edu.cn。

（責任編輯 龍婭麗）