微塑料和氟磺胺草醚及其復(fù)合污染物對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

崔 寧，郭占斌，劉 晶

（西安外事學(xué)院醫(yī)學(xué)院，西安 710077）

自20 世紀(jì)40 年代塑料進(jìn)入人類生活以來，全球產(chǎn)量已從1950 年的約50 萬t 大幅增加到2018 年的3.5 億t［1，2］。廢棄的大塊塑料經(jīng)過氧化、太陽輻射、水浸等過程被分解為小塊，通常將直徑小于5 mm 的塑料碎片稱為微塑料（Microplastics，MPs）［3］。MPs作為一種新型污染物已引起了廣泛的關(guān)注。研究表明，MPs 進(jìn)入生物體后會(huì)引發(fā)機(jī)械損傷、神經(jīng)毒性、細(xì)胞毒性、氧化應(yīng)激損傷、基因毒性等毒理效應(yīng)，甚至?xí)?dǎo)致死亡［4-7］。MPs可作為其他污染物的載體，包括抗生素、農(nóng)藥、重金屬等，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)［8-10］。

目前關(guān)于MPs 的研究主要集中于海洋、潮灘等水生生態(tài)系統(tǒng)。相較于水域系統(tǒng)，陸地系統(tǒng)尤其是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中MPs 的研究相對(duì)較少［11］。農(nóng)田中塑料地膜、污水灌溉、大氣沉降等途徑導(dǎo)致大田中殘留的MPs 遠(yuǎn)高于海洋。據(jù)估計(jì)，土壤中MPs 的含量可能是水域系統(tǒng)的4～23 倍［12，13］。滯留在大田中的MPs可降低土壤微生物活性和功能多樣性，同時(shí)還影響營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)，從而間接影響作物種子的發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)。李連禎等［14］通過激光掃描共聚焦熒光顯微鏡和掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，生菜根部可富集和吸收大量聚苯乙烯MPs（粒徑＜0.2 μm）。劉鎣鎣等［15］研究表明，聚乙烯對(duì)綠豆植株的毒性與粒徑及濃度相關(guān)，粒徑越小、濃度越高，引發(fā)的毒性就越大。此外，MPs 對(duì)小麥（Triticum aestivumL.）、大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）、洋蔥（Allium cepa）、水稻（Oryza sativaL.）、水芹（Lepidium sativum）等植株的發(fā)芽與生長(zhǎng)造成一定的影響［16-18］。

除了MPs 污染外，農(nóng)田土壤還存在農(nóng)藥污染。氟磺胺草醚是一種常見的長(zhǎng)殘留除草劑，因其高效、低毒、半衰期長(zhǎng)等特點(diǎn)，其在連作土壤中會(huì)不斷累積，從而干擾后茬作物的生長(zhǎng)。當(dāng)土壤中氟磺胺草醚殘留量超過0.2 mg/kg 時(shí)，會(huì)顯著降低玉米根系活力，導(dǎo)致其光合速率下降、生長(zhǎng)受到抑制［19，20］。

聚氯乙烯（PVC）是中國(guó)塑料大棚、日光溫室等常用的保溫保濕農(nóng)膜。滯留在大田中的PVC 膜老化會(huì)分解成粒徑較小的MPs。有關(guān)氟磺胺草醚對(duì)后茬敏感作物的影響已有較多報(bào)道，但針對(duì)MPs 和氟磺胺草醚復(fù)合污染物對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響尚未見報(bào)道。本研究以玉米（Zea maysL.）為供試植物，以氟磺胺草醚和PVC 為研究對(duì)象，探究單一及復(fù)合污染物對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響，旨在探究大田土壤中MPs和農(nóng)藥復(fù)合污染物對(duì)農(nóng)作物的生態(tài)毒理效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試玉米為華耐種業(yè)黑甜糯631 玉米；氟磺胺草醚（＞99.5%），購自德國(guó)Dr.Ehrenstorfer GmbH 公司；聚氯乙烯粉（1 000 目，粒徑為13 μm），購自于東莞市晴天塑料原料公司，使用前過900 目和1 200 目的篩網(wǎng)，以確保粒徑均一；石英砂購自于銘海環(huán)保石英砂廠，粒徑介于70～120 μm。

1.2 微塑料表征

傅里葉紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR；型號(hào)IRAffinity-1，日本島津）辨識(shí)PVC 表面官能團(tuán)。光譜范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為20 次，分辨率為4 cm-1；采用掃描電鏡（Scanning electron microscope，SEM；型號(hào)Hitachi 日立S-4800）觀察MPs 顆粒的表面結(jié)構(gòu)和微觀形貌；粒徑分布采用激光粒度分析儀（型號(hào)LS-909，中國(guó)OME 儀器有限公司）測(cè)定，使用納米粒度電位分析儀（Nicomp Z3000，美國(guó)）測(cè)定pH 介于3～9 時(shí)PVC 的表面電位。

1.3 植物培養(yǎng)

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，去離子水反復(fù)沖洗并浸泡6 h，最后放于吸水紙上瀝干備用。

單一污染試驗(yàn)：PVC 的添加量以大田土壤農(nóng)膜殘留量151 kg/hm2為標(biāo)準(zhǔn)［17］，換算成盆栽添加量為54 mg/kg，同時(shí)根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，最終選取的微塑料添加量分別為540（10 倍殘留量）、1 620（30 倍）、2 700（50 倍）及5 400（100 倍）mg/kg；預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氟磺胺草醚添加量大于1 mg/kg 時(shí)，玉米植株死亡，故本次試驗(yàn)氟磺胺草醚的添加量分別為0.2、0.4、0.6 和0.8 mg/kg［20］。

復(fù)合污染試驗(yàn)：基于上述單一污染試驗(yàn)結(jié)果，分別添加PVC（540、1 620 mg/kg）和氟磺胺草醚（0.2、0.4 mg/kg）。

本試驗(yàn)選取的供試植物培養(yǎng)基質(zhì)為石英砂［21］。使用前測(cè)定石英砂的飽和含水量，試驗(yàn)時(shí)，按照石英砂飽和含水量的70%添加去離子水。按照上述單一污染試驗(yàn)及復(fù)合污染試驗(yàn)中的添加量向石英砂中加入PVC 或農(nóng)藥，混合均勻后，將混合物放入50 mL塑料杯中。每個(gè)處理設(shè)置6 組平行，每個(gè)平行3 粒種子。使用保鮮膜將塑料杯密封后，放入光照培養(yǎng)箱（型號(hào)MGC-300A，上海一恒）中培養(yǎng)。光照16 h、黑暗8 h；晝、夜溫度分別為27、23 ℃；濕度為75%；光合有效輻射為300 μmol（/m2·s）。從第3 天開始每日補(bǔ)充去離子水補(bǔ)償蒸發(fā)水分，培養(yǎng)7 d 后，測(cè)定理化指標(biāo)。

1.4 理化指標(biāo)測(cè)定

收獲后，用游標(biāo)卡尺測(cè)定苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)。參考廖苑辰等［22］方法提取葉綠素a 和葉綠素b。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(biāo)儀測(cè)定663 nm 和645 nm 波長(zhǎng)下的吸光值，色素含量計(jì)算公式如下：

式中，Chla和Chlb分別表示葉綠素a 和葉綠素b的濃度（mg/L）；A663和A645分別為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的吸光值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Origin 2018 軟件作圖。使用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果分析

2.1 微塑料表征

由圖1a 可知，PVC 的紅外光譜中616 cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)C-Cl 的伸縮振動(dòng)，1 400～1 500 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)C-H/C-C 的伸縮振動(dòng)；2 925 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)-CH、-CH2和-CH3等脂肪族結(jié)構(gòu)的C-H 伸縮振動(dòng)［23］，與島津傅里葉紅外常規(guī)譜庫比對(duì)后，確定為PVC。圖1b 為PVC 的掃描電鏡圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)PVC 表面存在明顯褶皺，存在若干微孔。圖1c 為PVC 粒徑分布圖，PVC 粒徑主要分布在8～16 μm，粒徑大小符合要求；圖1d 為PVC 的Zeta 電位圖，顯示PVC 的電位隨著pH 的增加而降低。在pH 為3～9時(shí)，PVC 的電位變化范圍為-20.03～-3.81 mV，PVC均帶負(fù)電。

圖1 微塑料PVC 表征

2.2 污染物對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1 微塑料對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響 由圖2 可知，玉米幼苗株高和根長(zhǎng)均隨PVC 濃度的升高而下降。當(dāng)PVC 添加量為540 mg/kg 時(shí)，玉米的株高、根長(zhǎng)與空白組相比差異不明顯；當(dāng)PVC 的添加濃度達(dá)到1 620 和2 700 mg/kg 時(shí)，玉米的株高和根長(zhǎng)與空白組之間存在顯著差異（P＜0.05）；當(dāng)濃度升高至5 400 mg/kg 時(shí)，玉米的株高和根長(zhǎng)與空白組之間存在極顯著差異（P＜0.01），這說明高濃度的PVC 會(huì)抑制玉米幼苗的生長(zhǎng)。

圖2 PVC 殘留對(duì)玉米株高、根長(zhǎng)的影響

2.2.2 氟磺胺草醚對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響 不同濃度氟磺胺草醚處理后，玉米的株高和根長(zhǎng)受到較大的抑制。由圖3a 可知，隨著氟磺胺草醚濃度的升高，玉米幼苗生長(zhǎng)發(fā)育受到的抑制作用越明顯，玉米幼苗部分葉片出現(xiàn)卷曲枯黃、初生根以及次生根等變短的情況。由圖3b 可知，當(dāng)氟磺胺草醚殘留濃度從0 增加到0.8 mg/kg 時(shí)，玉米的株高由3.97 cm 降至1.12 cm，根長(zhǎng)由5.72 cm 下降至1.19 cm。當(dāng)氟磺胺草醚殘留濃度為0.8 mg/kg 時(shí)，對(duì)玉米株高和根長(zhǎng)的抑制效果最明顯。

圖3 氟磺胺草醚殘留對(duì)玉米株高和根長(zhǎng)影響

2.2.3 復(fù)合污染物對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響 結(jié)合圖2、圖3 和圖4 可知，PVC 和氟磺胺草醚復(fù)合污染物對(duì)玉米植株的生長(zhǎng)的抑制程度比單一污染物更強(qiáng)。當(dāng)氟磺胺草醚殘留量為0.2 mg/kg 時(shí)，微塑料添加量為540、1 620 mg/kg 的玉米株高分別為2.66、2.29 cm，根長(zhǎng)分別為4.45、3.75 cm。當(dāng)氟磺胺草醚殘留量為0.4 mg/kg時(shí)，微塑料添加量為540、1 620 mg/kg的玉米株高分別為2.20、1.27 cm，根長(zhǎng)分別為3.66、4.06 cm。

圖4 氟磺胺草醚殘留對(duì)玉米株高和根長(zhǎng)影響

相較于單一污染物脅迫，PVC 和氟磺胺草醚的復(fù)合效應(yīng)對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制表現(xiàn)為協(xié)同作用。研究表明，MPs 可以通過吸附作用富集有機(jī)污染物［8，9］，MPs 與農(nóng)藥聯(lián)合作用于植物體時(shí)，會(huì)通過增加攝入濃度、加劇組織損傷和降低機(jī)體抗性等方式增強(qiáng)農(nóng)藥對(duì)植物的毒性效應(yīng)［24］，從而抑制植株生長(zhǎng)。

2.3 污染物對(duì)玉米光合色素的影響

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(qiáng)弱。由圖5a、5b 可知，與對(duì)照組相比，單一污染物PVC 存在時(shí)葉綠素a 的含量無顯著變化。與對(duì)照組相比，單一污染物氟磺胺草醚會(huì)顯著降低玉米幼苗葉綠素含量，當(dāng)其濃度從0 升至0.8 mg/kg 時(shí)，葉綠素a（葉綠素b）的含量從2.45 mg/g（0.96 mg/g）降至1.08 mg/g（0.19 mg/g），這表明高濃度的氟磺胺草醚會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷玉米光合系統(tǒng)，會(huì)對(duì)植物葉片產(chǎn)生明顯的毒害效應(yīng)。復(fù)合污染組中，當(dāng)氟磺胺草醚添加量為0.2 mg/kg，微塑料添加量為540 或1 620 mg/kg 時(shí)，葉綠素a 的含量分別為2.01、1.89 mg，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，復(fù)合污染組與單一氟磺胺草醚處理組間無顯著性差異。

圖5 玉米葉片光合色素含量變化

3 討論

目前，有關(guān)MPs 的研究主要集中在海洋、湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)以及MPs對(duì)水生生物如藻類、魚類、貝類等毒理學(xué)效應(yīng)研究，而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微塑料-農(nóng)藥復(fù)合污染物和作物相互作用的研究極少，MPs對(duì)作物的作用機(jī)制仍不清楚［11］。Khorram 等［20］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氟磺胺草醚濃度高于0.2 mg/kg 時(shí)，玉米幼苗的株高和濕重隨著農(nóng)藥濃度的升高而顯著下降，部分葉片卷曲，根長(zhǎng)變短、根系活力顯著降低。當(dāng)濃度高于1 mg/kg 時(shí)，植株死亡。白杰等［19］研究發(fā)現(xiàn)，氟磺胺草醚可抑制玉米原卟啉原氧化酶活性，產(chǎn)生較高水平單態(tài)氧和毒性氧基，破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致膜滲漏，進(jìn)而對(duì)玉米植株產(chǎn)生毒害作用。本研究表明，氟磺胺草醚對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)表現(xiàn)為顯著的抑制作用，隨著濃度的升高，株高、根長(zhǎng)及葉綠素的等各項(xiàng)指標(biāo)均呈下降的趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果一致［17-19］。

本研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的PVC（540 mg/kg）對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)影響不大，幼苗的株高、根長(zhǎng)和葉綠素含量與空白對(duì)照組相比無顯著差異；當(dāng)PVC 濃度高于1 620 mg/kg 時(shí)，對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)起抑制作用，且抑制作用隨著PVC 濃度的升高而增大，這與Kal?iková 等［25］研究結(jié)果一致。抑制作用可能是由于吸附在玉米種子或根部細(xì)胞壁孔洞，擾亂種子或根系正常的營(yíng)養(yǎng)吸收與運(yùn)輸，PVC 與玉米的作用機(jī)制需進(jìn)一步探究。廖苑辰等［22］研究了聚苯乙烯對(duì)小苗生長(zhǎng)及生理生化特性的影響，指出MPs 的毒理效應(yīng)與粒徑和濃度密切相關(guān)，粒徑越小、濃度越高，其對(duì)作物的影響越強(qiáng)，中低濃度下粒徑較小，比表面積增大，更有利于水稻對(duì)微塑料的吸附［26］。當(dāng)濃度較高時(shí)，則容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致有效微塑料濃度降低，抑制效應(yīng)減弱。本研究中，微塑料濃度較高時(shí)，對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用。與微塑料相比，氟磺胺草醚對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)影響更明顯。

微塑料-農(nóng)藥復(fù)合污染試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合污染物對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制表現(xiàn)出了協(xié)同的作用，復(fù)合組的抑制率高于單一微塑料或單一氟磺胺草醚組，兩者復(fù)合對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)毒性更大。微塑料通過吸附環(huán)境中的氟磺胺草醚，造成局部農(nóng)藥濃度較高，增強(qiáng)了污染物對(duì)植物的毒性效應(yīng)；此外，微塑料也可通過降低污染物接觸濃度或共污染物的生物可利用性來減緩對(duì)植物的毒理效應(yīng)［18］。

大田土壤中存在重金屬、農(nóng)藥、微塑料等各種不同污染物，它們之間存在復(fù)雜的交互作用。環(huán)境條件也變化多樣，微塑料和污染物的復(fù)合作用還需要進(jìn)一步考慮溫度、離子強(qiáng)度、污染物的化學(xué)性質(zhì)（pKa、LogKow等）及微塑料的理化性質(zhì)（粒徑大小、表面形態(tài)、濃度、老化程度等）。此外，微塑料與農(nóng)藥的聯(lián)合毒性效應(yīng)和作用機(jī)制尚不清晰，還需要做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

1）在本試驗(yàn)處理濃度范圍內(nèi)，單一微塑料PVC處理組可顯著降低玉米幼苗株高和根長(zhǎng)；單一氟磺胺草醚處理組對(duì)玉米株高和根長(zhǎng)表現(xiàn)出抑制作用。

2）與單一微塑料或氟磺胺草醚相比，復(fù)合組對(duì)玉米幼苗株高和根長(zhǎng)的抑制表現(xiàn)為協(xié)同作用。

3）單一微塑料組對(duì)玉米幼苗的葉綠素a 含量無顯著影響；單一農(nóng)藥組可顯著降低葉綠素含量；復(fù)合污染物對(duì)玉米葉綠素的含量的影響與單一農(nóng)藥組之間無顯著性差異。