微塑料和氟磺胺草醚及其復合污染物對玉米幼苗生長的影響

崔 寧，郭占斌，劉 晶

（西安外事學院醫學院，西安 710077）

自20 世紀40 年代塑料進入人類生活以來，全球產量已從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注。研究表明，MPs 進入生物體后會引發機械損傷、神經毒性、細胞毒性、氧化應激損傷、基因毒性等毒理效應，甚至會導致死亡［4-7］。MPs可作為其他污染物的載體，包括抗生素、農藥、重金屬等，對生態系統構成潛在風險［8-10］。

目前關于MPs 的研究主要集中于海洋、潮灘等水生生態系統。相較于水域系統，陸地系統尤其是農業系統中MPs 的研究相對較少［11］。農田中塑料地膜、污水灌溉、大氣沉降等途徑導致大田中殘留的MPs 遠高于海洋。據估計，土壤中MPs 的含量可能是水域系統的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，同時還影響營養元素循環，從而間接影響作物種子的發芽及幼苗生長。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現，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，聚乙烯對綠豆植株的毒性與粒徑及濃度相關，粒徑越小、濃度越高，引發的毒性就越大。此外，MPs 對小麥（Triticum aestivumL.）、大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）、洋蔥（Allium cepa）、水稻（Oryza sativaL.）、水芹（Lepidium sativum）等植株的發芽與生長造成一定的影響［16-18］。

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

聚氯乙烯（PVC）是中國塑料大棚、日光溫室等常用的保溫保濕農膜。滯留在大田中的PVC 膜老化會分解成粒徑較小的MPs。有關氟磺胺草醚對后茬敏感作物的影響已有較多報道，但針對MPs 和氟磺胺草醚復合污染物對植物生長發育的影響尚未見報道。本研究以玉米（Zea maysL.）為供試植物，以氟磺胺草醚和PVC 為研究對象，探究單一及復合污染物對玉米幼苗生長的影響，旨在探究大田土壤中MPs和農藥復合污染物對農作物的生態毒理效應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米為華耐種業黑甜糯631 玉米；氟磺胺草醚（＞99.5%），購自德國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，以確保粒徑均一；石英砂購自于銘海環保石英砂廠，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，FTIR；型號IRAffinity-1，日本島津）辨識PVC 表面官能團。光譜范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數為20 次，分辨率為4 cm-1；采用掃描電鏡（Scanning electron microscope，SEM；型號Hitachi 日立S-4800）觀察MPs 顆粒的表面結構和微觀形貌；粒徑分布采用激光粒度分析儀（型號LS-909，中國OME 儀器有限公司）測定，使用納米粒度電位分析儀（Nicomp Z3000，美國）測定pH 介于3～9 時PVC 的表面電位。

1.3 植物培養

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：PVC 的添加量以大田土壤農膜殘留量151 kg/hm2為標準［17］，換算成盆栽添加量為54 mg/kg，同時根據預試驗的結果，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；預試驗發現氟磺胺草醚添加量大于1 mg/kg 時，玉米植株死亡，故本次試驗氟磺胺草醚的添加量分別為0.2、0.4、0.6 和0.8 mg/kg［20］。

復合污染試驗：基于上述單一污染試驗結果，分別添加PVC（540、1 620 mg/kg）和氟磺胺草醚（0.2、0.4 mg/kg）。

本試驗選取的供試植物培養基質為石英砂［21］。使用前測定石英砂的飽和含水量，試驗時，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及復合污染試驗中的添加量向石英砂中加入PVC 或農藥，混合均勻后，將混合物放入50 mL塑料杯中。每個處理設置6 組平行，每個平行3 粒種子。使用保鮮膜將塑料杯密封后，放入光照培養箱（型號MGC-300A，上海一恒）中培養。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 天開始每日補充去離子水補償蒸發水分，培養7 d 后，測定理化指標。

1.4 理化指標測定

收獲后，用游標卡尺測定苗長、根長。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）。提取的試液用酶標儀測定663 nm 和645 nm 波長下的吸光值，色素含量計算公式如下：

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分別為對應波長的吸光值。

1.5 數據統計與分析

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

2 結果分析

2.1 微塑料表征

由圖1a 可知，PVC 的紅外光譜中616 cm-1處的特征峰對應C-Cl 的伸縮振動，1 400～1 500 cm-1處的峰對應C-H/C-C 的伸縮振動；2 925 cm-1處的峰對應-CH、-CH2和-CH3等脂肪族結構的C-H 伸縮振動［23］，與島津傅里葉紅外常規譜庫比對后，確定為PVC。圖1b 為PVC 的掃描電鏡圖，從圖中可以發現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，PVC 的電位變化范圍為-20.03～-3.81 mV，PVC均帶負電。

圖1 微塑料PVC 表征

2.2 污染物對玉米幼苗生長的影響

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

圖2 PVC 殘留對玉米株高、根長的影響

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

圖3 氟磺胺草醚殘留對玉米株高和根長影響

2.2.3 復合污染物對玉米幼苗生長的影響 結合圖2、圖3 和圖4 可知，PVC 和氟磺胺草醚復合污染物對玉米植株的生長的抑制程度比單一污染物更強。當氟磺胺草醚殘留量為0.2 mg/kg 時，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，根長分別為4.45、3.75 cm。當氟磺胺草醚殘留量為0.4 mg/kg時，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，根長分別為3.66、4.06 cm。

圖4 氟磺胺草醚殘留對玉米株高和根長影響

相較于單一污染物脅迫，PVC 和氟磺胺草醚的復合效應對玉米幼苗生長的抑制表現為協同作用。研究表明，MPs 可以通過吸附作用富集有機污染物［8，9］，MPs 與農藥聯合作用于植物體時，會通過增加攝入濃度、加劇組織損傷和降低機體抗性等方式增強農藥對植物的毒性效應［24］，從而抑制植株生長。

2.3 污染物對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弱。由圖5a、5b 可知，與對照組相比，單一污染物PVC 存在時葉綠素a 的含量無顯著變化。與對照組相比，單一污染物氟磺胺草醚會顯著降低玉米幼苗葉綠素含量，當其濃度從0 升至0.8 mg/kg 時，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嚴重損傷玉米光合系統，會對植物葉片產生明顯的毒害效應。復合污染組中，當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，葉綠素a 的含量分別為2.01、1.89 mg，經統計學分析，復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MPs 的研究主要集中在海洋、湖泊等水生生態系統以及MPs對水生生物如藻類、魚類、貝類等毒理學效應研究，而農業生態系統中微塑料-農藥復合污染物和作物相互作用的研究極少，MPs對作物的作用機制仍不清楚［11］。Khorram 等［20］研究發現，當氟磺胺草醚濃度高于0.2 mg/kg 時，玉米幼苗的株高和濕重隨著農藥濃度的升高而顯著下降，部分葉片卷曲，根長變短、根系活力顯著降低。當濃度高于1 mg/kg 時，植株死亡。白杰等［19］研究發現，氟磺胺草醚可抑制玉米原卟啉原氧化酶活性，產生較高水平單態氧和毒性氧基，破壞細胞膜，導致膜滲漏，進而對玉米植株產生毒害作用。本研究表明，氟磺胺草醚對玉米幼苗的生長表現為顯著的抑制作用，隨著濃度的升高，株高、根長及葉綠素的等各項指標均呈下降的趨勢，與前人研究結果一致［17-19］。

本研究發現，低濃度的PVC（540 mg/kg）對玉米幼苗的生長影響不大，幼苗的株高、根長和葉綠素含量與空白對照組相比無顯著差異；當PVC 濃度高于1 620 mg/kg 時，對玉米幼苗的生長起抑制作用，且抑制作用隨著PVC 濃度的升高而增大，這與Kal?iková 等［25］研究結果一致。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吸收與運輸，PVC 與玉米的作用機制需進一步探究。廖苑辰等［22］研究了聚苯乙烯對小苗生長及生理生化特性的影響，指出MPs 的毒理效應與粒徑和濃度密切相關，粒徑越小、濃度越高，其對作物的影響越強，中低濃度下粒徑較小，比表面積增大，更有利于水稻對微塑料的吸附［26］。當濃度較高時，則容易發生團聚現象，導致有效微塑料濃度降低，抑制效應減弱。本研究中，微塑料濃度較高時，對玉米幼苗生長表現出較強的抑制作用。與微塑料相比，氟磺胺草醚對玉米幼苗生長影響更明顯。

微塑料-農藥復合污染試驗結果發現，復合污染物對玉米幼苗生長的抑制表現出了協同的作用，復合組的抑制率高于單一微塑料或單一氟磺胺草醚組，兩者復合對玉米幼苗的生長毒性更大。微塑料通過吸附環境中的氟磺胺草醚，造成局部農藥濃度較高，增強了污染物對植物的毒性效應；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植物的毒理效應［18］。

大田土壤中存在重金屬、農藥、微塑料等各種不同污染物，它們之間存在復雜的交互作用。環境條件也變化多樣，微塑料和污染物的復合作用還需要進一步考慮溫度、離子強度、污染物的化學性質（pKa、LogKow等）及微塑料的理化性質（粒徑大小、表面形態、濃度、老化程度等）。此外，微塑料與農藥的聯合毒性效應和作用機制尚不清晰，還需要做進一步的研究。

4 結論

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

2）與單一微塑料或氟磺胺草醚相比，復合組對玉米幼苗株高和根長的抑制表現為協同作用。

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