納米塑料與銅復合對番茄種子萌發和幼苗生長的影響

摘" " 要：為探究微塑料與重金屬對農作物的影響，選取番茄作為受試植物，研究粒徑為50 nm的聚苯乙烯納米塑料（NPs）與Cu2+單獨或復合污染對種子萌發和幼苗生長的影響。結果表明，與對照相比，NPs單獨脅迫對番茄種子的萌發表現為低促中抑高恢復的影響，顯著提高番茄幼苗的可溶性蛋白含量（250 mg·L-1處理除外），可溶性糖含量表現為低濃度（ρ，后同）（50 mg·L-1）降低、中濃度（100、250 mg·L-1）升高、高濃度（500、1000 mg·L-1）再降低的變化趨勢。Cu2+單獨脅迫下，番茄種子的發芽勢、活力指數、平均發芽速度均低于對照，發芽指數僅在400 mg·L-1最高濃度組顯著降低；Cu2+脅迫顯著降低番茄幼苗的芽長、鮮質量、含水量和可溶性糖含量（50 mg·L-1處理除外），顯著提高可溶性蛋白含量。NPs與Cu2+復合污染的結果表明，NPs進一步降低Cu2+單一污染下番茄種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和番茄幼苗的根長、鮮質量（Cu 50+NPs 50除外），并加劇Cu2+對可溶性糖的抑制作用以及對可溶性蛋白的促進作用，二者表現為協同效應。綜上，NPs加劇Cu2+對番茄種子萌發和幼苗生長的毒性效應。

關鍵詞：番茄；納米塑料；銅；種子萌發；幼苗生長

中圖分類號：S641.2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）02-080-08

Effects of combined contamination with nanoplastics and copper on seed germination and seedling growth of tomato

GUO Linlin1， GUO Chen1， WANG Pinsu1， YANG Yujie2

（1. Department of Life Science， Cangzhou Normal University， Cangzhou 061001， Hebei， China; 2. College of Horticulture， China Agricultural University， Beijing 100091， China）

Abstract： In order to explore the effects of microplastics and heavy metals on crops， we investigated the effects of polystyrene nanoplastics （NPs） with a particle size of 50 nm and also the combinatorial effect of NPs and Cu2+ on the seed germination and seedling growth of tomato（Solanum lycopersicum L.）. The results showed that low concentrations of NPs promoted the germination rate of tomatoes， while high NPs concentration inhibited it." Further， soluble protein content of seedlings was increased， and soluble sugar content was decreased at low concentration （50 mg·L-1）， increased at the medium concentration （100 and 250 mg·L-1）， and decreased at the high concentration （500 and 1000 mg·L-1） again. Under Cu2+ stress alone， mean germination speed and vigor index decreased. Further， treatments with highest concentration（400 mg·L-1）decreased germination index significantly. Moreover， the reduction of bud length， fresh weight and water content of tomato seedlings were observed following Cu2+ treatment. In addition， the soluble protein content increased significantly and the soluble sugar content decreased significantly under Cu2+ stress. The results of combined pollution of NPs and Cu2+ showed that NPs could further reduce the germination index and root length and fresh weight of tomato under Cu2+ pollution， and enhanced the inhibition of Cu2+ on soluble sugar and the promotion of Cu2+ on soluble protein. Therefore， NPs and Cu2+ showed a synergistic effect. In conclusion， NPs could aggravate the toxic effect of Cu2+ on tomato seeds and seedlings.

Key words： Tomato; Nanoplastics; Copper; Seed germination; Seedling growth

塑料制品因具有成本低、易生產、耐用等特點，在工業、農業和日常生活中被廣泛使用。但只有9%的廢棄塑料被回收，超過79%的塑料被填埋或遺棄在自然界中[1]。塑料制品難以降解，且處理不到位，容易使其在風力、水流、人為因素等外力的作用下分解成較小的微塑料（microplastics，MPs）進入到環境中[2]。微塑料是粒徑小于5 mm的塑料碎片或顆粒，而微塑料進一步分解為粒徑小于1 μm的塑料顆粒，稱為納米塑料（nanoplastics，NPs）。微/納米塑料作為一種新型的持久性環境污染物，現已在全球范圍內的各種環境介質如土壤、水體、大氣、生物體中檢出[3]。目前，關于微塑料的研究多集中于其對海洋和淡水生態系統的持續污染和有害影響上[4]，而陸地生態系統作為塑料生產和排放的源頭，近年來逐漸引起研究者的關注。已有研究表明，微/納米塑料會改變土壤的理化性質，從而影響土壤功能，降低生物多樣性[5-6]。此外，土壤中的微/納米塑料會被運輸到植物體內，從而影響植物種子的萌發，改變根際環境，并影響植物的抗氧化防御系統和光合作用[7-9]。

隨著工業化進程的加快，土壤重金屬污染也已經成為嚴重的環境問題。我國土壤重金屬污染情況已經十分嚴峻，總超標率為16.1%，其中耕地土壤的超標率占總超標率的19.4%，將近1000萬hm2的農業土地遭到污染，造成糧食作物減產[10]。其中，37.7%國土的農林用地土壤、21.7%國土的城市居住區土壤存在著較高的Cu污染生態風險[11]。Cu是植物生長所必需的微量元素之一，在光合作用、蛋白質合成和呼吸過程等生理活動中起著關鍵作用，但是高濃度的Cu會影響種子的萌發并對植物生長產生不利影響，還可在植物體內富集并通過食物鏈的傳遞影響到其他生物[12-13]。

目前，對于微/納米塑料或重金屬單一污染對植物影響的研究已有報道，但是，關于重金屬與微/納米塑料相互作用及其對植物的復合效應的研究還十分有限。已經有研究表明，微/納米塑料對土壤中的重金屬、抗生素等諸多污染物均具有吸附作用[1]。付東東等[14]研究表明，MPs對銅具有一定的吸附能力，且隨著Cu2+濃度的增加，MPs對Cu2+的吸附量增加，但吸附速率逐漸降低。Jia等[15]研究發現，聚乙烯MPs能夠加劇Cu2+和Pb2+對油菜的毒害效應。但是有關NPs與Cu2+對農作物種子萌發和幼苗生長影響的研究還未見報道。

筆者以河北地區廣泛種植的大棚蔬菜作物-番茄作為試驗材料，通過分析不同濃度的聚苯乙烯NPs或Cu2+單一及復合污染對番茄種子萌發和幼苗生長的影響，進一步揭示NPs與重金屬的交互作用，以期為評估土壤環境中NPs與重金屬復合污染的作用機制以及生態環境風險提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗于2023年4—6月在滄州師范學院生物學實驗中心進行。試驗番茄品種為毛粉802，種子購于滄州津科力豐種苗有限責任公司，籽粒飽滿，狀態健康。固體硫酸銅（CuSO4）購于天津盛奧化學試劑有限公司，單分散聚苯乙烯微球購于上海譯元生物科技有限公司，質量濃度為25 mg·mL-1，粒徑為（50±1.2）nm。

1.2 方法

1.2.1 處理液的配制 NPs處理液的配制：取5 mL單分散聚苯乙烯微球溶于120 mL的超純水，配成1000 mg·L-1的NPs母液。根據黃獻培等[16]和吳佳妮等[17]的文獻，將NPs分別稀釋為50、100、250、500、1000 mg·L-1等5個質量濃度梯度。

Cu2+處理液的配制：稱取適量CuSO4固體，用超純水配制400 mg·L-1 Cu2+母液，參考孫金金等[18]和許志敏等[19]的研究以及前期的預試驗，將Cu2+濃度（ρ，后同）設置為50、100、200和400 mg·L-1。

復合污染處理液的配制：NPs與Cu2+復合污染的濃度設置方法結合前期的預試驗并參考王澤正等[20]的研究，設置為50 mg·L-1Cu2++50 mg·L-1NPs，50 mg·L-1Cu2++500 mg·L-1NPs，200 mg·L-1Cu2++50 mg·L-1NPs和200 mg·L-1Cu2++500 mg·L-1NPs，分別稱為Cu 50+NPs 50、Cu 50+NPs 500、Cu 200+NPs 50、Cu 200+NPs 500。

1.2.2 番茄種子水培試驗 番茄種子用2%的H2O2消毒后，用超純水洗凈，置于濾紙上吸干表面水分。每個10 cm培養皿中均勻放置10粒番茄種子，下方放置2層紗布，每個皿中加入2 mL霍格蘭營養液和2 mL不同濃度梯度的NPs或Cu2+或復合污染處理液。對照組（CK）的培養皿中加入2 mL霍格蘭營養液和2 mL超純水。試驗共設置15個處理組，每個處理組設置4個重復。將培養皿放入溫度為（26±2）℃、濕度為60%的恒溫培養箱（上海印溪，DHG-9162）中黑暗培養，每天觀察種子發芽和幼苗生長情況并記錄種子的發芽數，定期補充超純水以維持培養皿中的處理液濃度。

1.3 指標測定

1.3.1 生長指標的測定 待試驗第7天結束暴露，用厘米尺測定幼苗的根長和芽長，并將番茄幼苗置于電熱鼓風干燥箱（上海印溪，DHG-9140A）中烘干至恒質量，用電子天平（上海佑科，JA1003N）稱量烘干前后的鮮質量和干質量并記錄。發芽率、發芽勢、發芽指數、平均發芽速度、活力指數、含水量等指標的計算公式如下[21]：

發芽率（GR）/%=供試種子發芽數/供試種子總數×100 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

發芽勢（GV）/%=3 d內供試種子發芽數/供試種子總數×100 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

發芽指數（GI）=∑Gt/Dt。" " " " " " " " " " " " " （3）

平均發芽速度（MGS）=∑（Gt×Dt）/∑Gt。 （4）

活力指數（VI）=發芽指數×胚芽長度。" " "（5）

含水量（WC）/%=（鮮質量-干質量）/鮮質量×100。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中：Gt為t天內的發芽數；Dt為對應的發芽天數。

1.3.2 幼苗生理指標的測定 取新鮮的番茄幼苗進行生理指標的測定，采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[22]。

1.4 數據處理

采用Excel 2019進行試驗數據處理和作圖；采用SPSS 23.0進行差異顯著性分析 。

2 結果與分析

2.1 納米塑料、銅離子及其復合污染對番茄種子萌發的影響

2.1.1 種子發芽率 由圖1可知，NPs單獨脅迫下，大部分番茄種子均可發芽，發芽率在75.0%～87.5%。不同濃度的NPs對番茄種子發芽率的影響不同，基本影響規律為低促中抑高恢復。Cu2+單獨脅迫下，番茄種子的發芽率在67.5%～92.5%，且發芽的第5～7天，不同濃度的Cu2+對種子的發芽率表現為低促高抑。NPs與Cu2+復合污染下，番茄種子的發芽率在27.5%～62.5%，且發芽率相比于CK均有所降低。

2.1.2 種子萌發指標 由圖2可知，不同濃度NPs單獨脅迫對番茄種子的發芽勢、發芽指數、活力指數、平均發芽速率等萌發指標均無顯著影響。與CK相比，不同濃度Cu2+脅迫對番茄種子的發芽勢無顯著影響，顯著降低種子的活力指數；Cu2+濃度為最高（400 mg·L-1）時，番茄種子的發芽指數較CK顯著降低，其余Cu2+濃度組與CK無顯著變化；最低濃度Cu2+（50 mg·L-1）脅迫對番茄種子的平均發芽速度無顯著影響，隨著Cu2+濃度升高，種子的平均發芽速度均顯著低于CK。

納米塑料與銅離子復合污染對番茄種子萌發指標的影響如表1所示。與CK相比，不同濃度的NPs與Cu2+復合，均會顯著降低番茄種子的發芽勢、發芽指數（除Cu 50＋NPs 50濃度組）和活力指數，而對平均發芽速度無顯著影響。相比于Cu2+單獨脅迫，不同濃度的NPs與Cu2+復合后，種子的發芽勢和發芽指數均低于Cu2+單一污染組，即進一步加強Cu2+對上述種子萌發指標的抑制作用。除Cu 200＋NPs 500濃度組的活力指數顯著低于Cu2+單獨脅迫外，其余復合污染組的種子活力指數和平均發芽速度相比于Cu2+單獨脅迫組無顯著差異。

2.2 納米塑料、銅離子及其復合污染對番茄幼苗的影響

2.2.1 幼苗生長指標 納米塑料或銅離子單獨脅迫對番茄幼苗生長指標的影響如圖3所示。不同濃度的NPs單獨脅迫對番茄幼苗的根長、芽長、鮮質量、干質量和含水量等均無顯著影響。與CK相比，不同濃度Cu2+脅迫處理對番茄幼苗的根長和干質量無顯著影響，但是對芽長、鮮質量和含水量的影響均表現為顯著的抑制作用。

納米塑料與銅復合污染對番茄幼苗的影響如表2所示。和CK相比，不同濃度的NPs與Cu2+復合污染，對根長和干質量均無顯著影響；NPs＋Cu2+復合污染會降低番茄幼苗的芽長，且Cu 200+NPs 500復合污染組的芽長顯著低于CK。另外，NPs＋Cu2+復合污染相比于CK顯著降低番茄幼苗的鮮質量和含水量。相比于Cu2+單獨脅迫，NPs＋Cu2+復合污染對番茄幼苗的根長和干質量無顯著影響，顯著促進番茄幼苗芽的伸長，表明一定濃度的NPs能夠緩解Cu2+對芽生長的抑制作用。相比于Cu2+單獨脅迫，僅高濃度Cu2+（200 mg·L-1）＋高濃度NPs（500 mg·L-1）復合污染顯著降低番茄幼苗的鮮質量和含水量，其余復合污染相比于Cu2+單獨脅迫無顯著差異。

2.2.2 幼苗營養成分 納米塑料或銅離子單獨脅迫對番茄幼苗生理指標的影響如圖4所示，不同濃度的NPs單獨暴露下，除中濃度（250 mg·L-1）外，其他濃度處理可溶性蛋白含量均顯著高于CK，而可溶性糖含量隨著NPs濃度的增加呈先升高后降低然后再升高的變化趨勢，且相比于CK均呈顯著差異。與CK相比，不同濃度的Cu2+脅迫均顯著提高可溶性蛋白含量，降低可溶性糖含量，且當Cu2+濃度≥100 mg·L-1時，可溶性糖含量顯著低于對照。

由表2可知，和CK相比，NPs＋Cu2+復合污染顯著降低番茄幼苗的可溶性糖含量，顯著提高可溶性蛋白含量。相比于Cu2+單獨脅迫，復合污染會顯著提高可溶性蛋白含量而顯著降低可溶性糖含量。

3 討論與結論

種子萌發是植物生長的最初階段，外源污染物對種子萌發的影響是判斷其對植物毒性效應的首要指標[23]。在筆者的研究中，較低濃度NPs脅迫下，番茄種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均略高于對照，但無顯著差異。已有研究表明，聚乙烯MPs對番茄和大豆種子的發芽勢、發芽指數、活力指數的影響也表現為低濃度略高于對照，而中高濃度逐漸降低，且低于對照[23-24]，聚苯乙烯NPs暴露下，水稻種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數相比于對照也無顯著影響[25]，這與本研究結果一致。而吳佳妮等[17]的研究表明，聚苯乙烯NPs暴露會顯著降低大豆種子的發芽勢、發芽指數、活力指數，這與筆者的研究結果不一致，分析原因可能是暴露植物的不同以及暴露微塑料的粒徑、聚合物類型以及帶電量的不同，粒徑較大的NPs/MPs能夠堵塞種子表皮的孔隙，影響水分和營養物質的吸收，從而影響種子的萌發，而筆者的研究采用的是50 nm的NPs，粒徑較小。此外，在筆者的研究中，不同濃度的Cu2+單獨脅迫均會降低番茄種子的發芽勢、發芽指數、活力指數和平均發芽速度，這與以往的研究結果一致[18-19]。NPs與Cu2+復合污染的結果表明，不同濃度的NPs與Cu2+復合后，會進一步降低Cu2+單獨脅迫下種子的發芽率、發芽勢和發芽指數，即進一步加強Cu2+對番茄種子萌發的抑制作用。已有研究表明，聚乙烯MPs會加劇Cu2+對油菜的毒害效應，如丙二醛含量升高，葉綠素和可溶性糖含量降低等[15]，粒徑為100 nm的NPs與Cu2+復合后會對人單核細胞白血病DNA產生損傷效應，并顯示一定的基因毒性，而二者復合后的損傷具有交互增強的作用[26]，這與筆者的研究結果一致，而這種交互增強作用可能與NPs對Cu2+的吸附作用有關，具體機制尚有待進一步研究。

筆者對暴露試驗結束后的幼苗生長指標和生理指標進行了測定，結果表明，與對照相比，NPs單獨脅迫對番茄幼苗的根長、鮮質量、干質量和含水量等均無顯著影響，而對芽的伸長有抑制作用，這與王曉晶等[21]采用聚苯乙烯MPs暴露小麥種子的研究結果一致。但是也有研究表明，粒徑為100 nm的聚苯乙烯NPs暴露5 d后，小麥種子的根長和根體積有所增加[27]，這與筆者的研究結果不盡相同，分析原因，一方面可能與受試植物的種類以及NPs的粒徑不同有關，另一方面，暴露時間也是影響NPs對植物毒性效應的重要因素，Bosker等[28]的研究表明，NPs暴露獨行菜種子24 h，顯著增加獨行菜種子的根長，而繼續暴露至48和72 h后，其根長與對照無顯著差異。Cu2+單獨脅迫會抑制番茄幼苗芽的伸長，降低鮮質量和含水量。已有研究表明，Cu2+會顯著抑制番茄幼苗的生長，如降低鮮質量和株高等[29]，抑制８種禾草幼苗的生長[18]，這與本研究結果一致。復合污染的結果表明，不同濃度的NPs能夠緩解Cu2+對芽生長的抑制作用，除Cu 50+NPs 50處理外，其他復合處理加劇Cu2+對番茄幼苗鮮質量的抑制作用，Cu 200+NPs 500處理會加劇Cu2+對番茄幼苗含水量的抑制作用。寧瑞艷等[30]有關聚苯乙烯MPs和重金屬的研究表明，隨著MPs濃度的增加，東南景天對Cd的吸收顯著增加，增強了Cd的毒害效應，主要表現為鮮質量和干質量顯著降低，這與筆者的研究結果一致。

可溶性蛋白是植物體必備的營養物質，也是其進行生理代謝的重要調控物質。本研究中，NPs脅迫下番茄幼苗可溶性蛋白含量顯著升高，這與廖苑辰等[31]采用100 nm聚苯乙烯NPs脅迫小麥幼苗的研究結果一致。可溶性糖是植物體內維持細胞滲透勢的重要物質，并能夠促進細胞壁的形成[32]。在筆者的研究中，與對照相比，NPs（≥100 mg·L-1）脅迫下番茄幼苗可溶性糖含量呈先升高后降低的變化趨勢，這與黃獻培等[16]采用粒徑為70 nm的NPs暴露菜心幼苗的研究結果一致。分析幼苗可溶性糖含量先升高后降低的原因，可能是低濃度微塑料暴露下機體通過提高可溶性糖的含量維持細胞內的滲透勢，當微塑料含量逐漸提高超過機體所承受的最大值時，對番茄幼苗造成損傷，導致可溶性糖的含量降低。在筆者的研究中，不同濃度Cu2+單獨脅迫均會提高番茄幼苗的可溶性蛋白含量并降低可溶性糖含量，而NPs與Cu2+復合后，會進一步促進Cu2+對可溶性蛋白含量的提高，進一步加強Cu2+對可溶性糖積累的抑制，二者發揮協同作用，這與Jia等[15]采用MPs與Cu2+復合污染油菜幼苗的研究結果相一致，表明微/納塑料會加劇Cu2+對番茄幼苗營養成分的影響。

綜上所述，NPs會進一步降低Cu2+單一污染下番茄種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和番茄幼苗的根長、鮮質量（Cu 50+NPs 50除外），并加劇Cu2+對可溶性糖積累的抑制作用以及對可溶性蛋白積累的促進作用，NPs與Cu2+二者表現為協同效應。

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