聚乙烯微塑料對(duì)綠豆發(fā)芽的毒性研究

劉鎣鎣 張旗 崔文智 段志偉 王發(fā)園

摘要：近年來(lái)，微塑料污染成為全球高度關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。但是多數(shù)研究是針對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的，微塑料對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響，尤其是其植物效應(yīng)尙缺乏認(rèn)識(shí)。本試驗(yàn)研究了不同粒徑（0.55-0.88、0.106-0.15、0.023-0.038 mm）、不同濃度（0.1、1、10、100 mg/g）的聚乙烯微塑料對(duì)綠豆發(fā)芽的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有微塑料處理均沒(méi)有顯著降低綠豆的發(fā)芽率。粒徑在0.55-0.8、0.106-0.15 mm的微塑料在所設(shè)暴露濃度下對(duì)芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重均沒(méi)有顯示出抑制作用，甚至在一定濃度時(shí)有刺激作用。0.023mm-0.038 mm的微塑料，尤其是暴露濃度為100 mg/g時(shí)，對(duì)綠豆幼苗的生長(zhǎng)和水分吸收表現(xiàn)出顯著抑制作用。微塑料影響植物水分吸收可能是其中的一個(gè)毒性機(jī)制。綜上，聚乙烯微塑料的植物毒性與粒徑和濃度密切相關(guān)，粒徑越小、濃度越高，其植物毒性可能越強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：聚乙烯微塑料;綠豆;發(fā)芽;含水率;植物毒性

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）05-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.070

Abstract： In recent years， microplastic pollution has become a global environmental issue attracting increasing concern. However， most previous studies have been focused on marine ecosystem， and the impacts of microplastics on terrestrial ecosystem， particularly on plants， still are not well studied. land of great concern. Here， the present experiment studied the germination and seedling elongation of mung bean as influenced by polyethylene microplastics with different particle sizes （0.55-0.88， 0.106-0.15， 0.023-0.038 mm） and different doses （0.1， 1， 10， 100 mg/g）. Results showed that all microplastics did not decrease the germination rate of mung bean seeds irrespective of particle size and exposure dose. The microplastics with sizes of 0.55-0.8 mm and 0.106-0.15mm at all the exposure doses had no significant inhibitive effects， and sometimes even stimulation， on elongation and fresh and dry weights of shoots and roots. However， the microplastics with size of 0.023-0.038 mm， especially at dose of 100 mg/g， inhibited seedling growth and water absorption. Inhibition of water uptake by plants may represent one of the mechanisms involved in microplastic phytotoxicity. To conclude， the phytotoxicity of polyethylene microplastics is closely related with their particle size and exposure dose， and smaller particle size and higher dose may produce greater phytotoxicity.

Keywords： Polyethylene micro-plastics; Mung bean; Germination; Moisture content; Phytotoxicity

塑料制品的廣泛使用可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。大塊的塑料經(jīng)風(fēng)吹日曬等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，會(huì)逐漸風(fēng)化、破碎成粒徑更小的微塑料。微塑料這一概念是在2004年由Thompson等[1]首次提出，通常被認(rèn)為粒徑小于5mm的塑料顆粒或碎片。有研究發(fā)現(xiàn)微塑料廣泛分布于海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)中[2-7]，尤其是微塑料可以進(jìn)入食物鏈[8]，可能直接對(duì)生物體和人類(lèi)健康產(chǎn)生威脅。

土壤系統(tǒng)是陸地上微塑料的“儲(chǔ)存庫(kù)”。據(jù)估計(jì)，每年釋放到陸地上的微塑料是海洋中的4-23倍[9]。微塑料可以通過(guò)污泥施用、大氣沉降、農(nóng)膜降解、垃圾處理等多種途徑進(jìn)入土壤[10]，包括農(nóng)田在內(nèi)的多數(shù)陸地環(huán)境中均發(fā)現(xiàn)有微塑料存在[6]。我國(guó)是地膜使用量最大的國(guó)家，地膜在土壤中隨風(fēng)化作用等逐漸破碎，最終可能以微塑料的形式殘留在土壤中。微塑料對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)尤其是農(nóng)作物的影響值得重視。

塑料具有疏水性，殘膜會(huì)影響土壤吸濕性等理化性質(zhì)，還會(huì)阻礙植物根系從土壤中吸收水分，抑制土壤中微生物的活動(dòng)。體積小、比表面積大的微塑料對(duì)土壤和植物的危害則可能更大，很可能對(duì)種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)等產(chǎn)生負(fù)面作用。有研究發(fā)現(xiàn)，微塑料可能被植物吸收。43nm的聚苯乙烯微球可以通過(guò)氣孔途徑進(jìn)入蠶豆葉片內(nèi)[11]。李連禎等[12]利用溶液培養(yǎng)試驗(yàn)首次證實(shí)，聚苯乙烯微球（0.2μm）可被生菜根部大量吸收和富集，并從根部遷移到地上部分，積累和分布在可被直接食用的莖葉之中。即使不被植物吸收，微塑料也可能影響植物生長(zhǎng)。利用土壤盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1%的微塑料對(duì)小麥生長(zhǎng)有顯著負(fù)面作用，尤其是生物可降解塑料比PE表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的抑制作用[13]。顯然，微塑料對(duì)陸生植物尤其是農(nóng)作物的生物效應(yīng)研究急需更多探討。

本研究假設(shè)微塑料能夠?qū)χ参锂a(chǎn)生毒性效應(yīng)，但是可能與粒徑與暴露濃度有關(guān)。為此，通過(guò)研究不同粒徑和暴露濃度聚乙烯微塑料對(duì)綠豆發(fā)芽的研究，旨在探討微塑料對(duì)植物發(fā)芽的影響及可能的機(jī)制，為深入研究微塑料對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響尤其是對(duì)植物的生物效應(yīng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

微塑料材質(zhì)為高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），購(gòu)自東明塑化公司。密度在0.940-0.976g/cm3范圍內(nèi)，結(jié)晶度為80%-90%，軟化點(diǎn)為125-135℃。微塑料經(jīng)手工過(guò)篩，分成0.55-0.88mm、0.106-0.15mm、0.023-0.038mm等3個(gè)不同的粒徑范圍。微塑料經(jīng)0.1M稀鹽酸、去離子水清洗，風(fēng)干后后備用。供試綠豆（Vigna radiata）種子購(gòu)于青島當(dāng)?shù)爻校么温人徕c溶液消毒，蒸餾水沖洗干凈，挑選籽粒飽滿、大小均等的種子備用。培養(yǎng)基質(zhì)選用石英砂，粒徑為0.5-1mm，用0.1M稀鹽酸、去離子水清洗后備用。

1.2 發(fā)芽試驗(yàn)

選用9cm玻璃培養(yǎng)皿，每個(gè)培養(yǎng)皿裝90g石英砂，播種10粒種子。選用3個(gè)粒徑的微塑料，濃度設(shè)置為0.1、1、10、100mg/g共計(jì)4個(gè)水平，同時(shí)設(shè)置不添加微塑料的對(duì)照，均重復(fù)4次。將培養(yǎng)皿放置于培養(yǎng)箱中，恒溫25℃，黑暗培養(yǎng)5d。種子播種后向培養(yǎng)皿中加入20mL蒸餾水，第2天開(kāi)始每天早晚兩次向培養(yǎng)皿中加入5mL蒸餾水，清點(diǎn)并記錄發(fā)芽種子數(shù)（當(dāng)芽長(zhǎng)超過(guò)種子一半時(shí)，視為發(fā)芽）。培養(yǎng)結(jié)束后測(cè)定發(fā)芽率。將幼苗分為地上部分和地下部分，分別測(cè)其長(zhǎng)度、鮮重。將測(cè)完鮮重的樣品于烘箱中烘干至恒重，記錄其干重。其中，發(fā)芽率=發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)×100%。含水率=（鮮重-干重）/鮮重）×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel、Origin2017軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Duncan多重比較進(jìn)行單因素方差分析（P<0.05）。

2 結(jié)果

2.1 發(fā)芽率

與對(duì)照相比，添加所有粒徑和濃度的聚乙烯微塑料均沒(méi)有對(duì)綠豆發(fā)芽率產(chǎn)生顯著影響（圖1）。但是粒徑0.023-0.038 mm的微塑料在濃度10、100 mg/g時(shí)的發(fā)芽率低于1 mg/g時(shí)的發(fā)芽率。

2.2 根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)

與對(duì)照相比，高濃度（100mg/g）的微塑料顯著影響綠豆的根長(zhǎng)（圖2a），粒徑0.023-0.038mm的微塑料表現(xiàn)出顯著抑制作用，而其他粒徑的微塑料表現(xiàn)出刺激作用。對(duì)于芽長(zhǎng)，只有小粒徑（0.023-0.038mm）、高濃度（100mg/g）的微塑料顯示出顯著抑制作用（圖2b），其他絕大多數(shù)處理促進(jìn)芽的伸長(zhǎng)或沒(méi)有顯著影響。

2.3 鮮重、干重

與對(duì)照相比，只有小粒徑（0.023-0.038mm）、高濃度（100mg/g）的微塑料顯著降低鮮重（圖3a），其他處理均沒(méi)有顯著影響。對(duì)于干重，0.023-0.038mm的微塑料在所有濃度下均降低干重（圖3b），且各個(gè)濃度之間差異不顯著;而0.55-0.88mm、0.106-0.15mm的微塑料在絕大多數(shù)處理中沒(méi)有顯著影響干重（0.55-0.88mm、10mg/g除外）。

聚乙烯微塑料對(duì)綠豆幼苗的干重影響不大，最小粒徑、最大濃度實(shí)驗(yàn)組的鮮重卻顯著減小，說(shuō)明此組幼苗的水分含量顯著減少。

2.4 含水率

與對(duì)照相比，只有小粒徑（0.023-0.038mm）的微塑料且在高濃度（100mg/g）時(shí)顯著降低含水率（圖4），其他處理增加了含水率或沒(méi)有顯著影響。

3 討論

本試驗(yàn)表明，聚乙烯微塑料對(duì)綠豆種子的發(fā)芽率沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。較大粒徑（0.55-0.88mm、0.106-0.15mm）的聚乙烯微塑料對(duì)綠豆幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育也沒(méi)有顯著抑制作用，甚至在某些濃度時(shí)還增加了芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)，但當(dāng)其粒徑到達(dá)0.023-0.038mm時(shí)，對(duì)幼苗生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的毒性效應(yīng)，尤其是在高濃度時(shí)，顯著降低干重、鮮重、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，小粒徑高濃度的微塑料顯著降低了幼苗的含水率。這證實(shí)了粒徑是影響微塑料生物效應(yīng)的重要因素。微塑料具有疏水性且密度小，其粒徑變小時(shí)比表面積會(huì)增大，更容易附著于綠豆種子的根部或種子表面，抑制水分吸收，同時(shí)影響綠豆的呼吸作用，進(jìn)而影響了根、芽的生長(zhǎng)發(fā)育。這可能是微塑料的一個(gè)毒性機(jī)制。

通過(guò)水培試驗(yàn)證實(shí)，200nm的聚苯乙烯微塑料能夠被生菜根部大量吸收和富集， 并從根部遷移到地上部，積累和分布在莖葉之[12]。這說(shuō)明微塑料在足夠小時(shí)可能透過(guò)細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等屏障，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，引起氧化脅迫，改變養(yǎng)分、水分的吸收和運(yùn)輸，影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。本研究中，微塑料粒徑較大，進(jìn)入植物內(nèi)部的可能性不大，在植物表面的附著作用很可能是其產(chǎn)生影響的主要途徑。

根據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2016年地膜使用量146.80萬(wàn)噸，地膜覆蓋面積超過(guò)1840.1萬(wàn)公頃，而農(nóng)膜的回收率較低。農(nóng)田中的殘膜會(huì)逐漸老化、破碎，并在土壤中積累。隨著尺寸的變小和濃度的增加，很可能吸附在根系表面或被植物吸收，影響作物的水分、養(yǎng)分狀況和生長(zhǎng)發(fā)育。更為重要的是，微塑料吸附性強(qiáng)，被認(rèn)為是PAHs、農(nóng)藥、重金屬等污染物的載體[14-19]，間接影響作物種子發(fā)芽、根系生長(zhǎng)和吸收作用。微塑料的生物效應(yīng)及其機(jī)制尚需進(jìn)一步探討。

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收稿日期：2019-04-03

作者簡(jiǎn)介：劉鎣鎣（1990-），女，本科生，研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理學(xué)。

通訊作者：王發(fā)園（1975-），男，博士，教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境生物修復(fù)。