聚乙烯微塑料對綠豆發(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，微塑料污染成為全球高度關注的環(huán)境問題。但是多數(shù)研究是針對海洋生態(tài)系統(tǒng)進行的，微塑料對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響，尤其是其植物效應尙缺乏認識。本試驗研究了不同粒徑（0.55-0.88、0.106-0.15、0.023-0.038 mm）、不同濃度（0.1、1、10、100 mg/g）的聚乙烯微塑料對綠豆發(fā)芽的影響。結果發(fā)現(xiàn)，所有微塑料處理均沒有顯著降低綠豆的發(fā)芽率。粒徑在0.55-0.8、0.106-0.15 mm的微塑料在所設暴露濃度下對芽長、根長、鮮重、干重均沒有顯示出抑制作用，甚至在一定濃度時有刺激作用。0.023mm-0.038 mm的微塑料，尤其是暴露濃度為100 mg/g時，對綠豆幼苗的生長和水分吸收表現(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毒性機制。綜上，聚乙烯微塑料的植物毒性與粒徑和濃度密切相關，粒徑越小、濃度越高，其植物毒性可能越強。

關鍵詞：聚乙烯微塑料;綠豆;發(fā)芽;含水率;植物毒性

中圖分類號：X171.5 文獻標識碼：A 文章編號：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對環(huán)境造成危害。大塊的塑料經風吹日曬等一系列物理化學反應，會逐漸風化、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，通常被認為粒徑小于5mm的塑料顆?；蛩槠Ｓ醒芯堪l(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入食物鏈[8]，可能直接對生物體和人類健康產生威脅。

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

塑料具有疏水性，殘膜會影響土壤吸濕性等理化性質，還會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。體積小、比表面積大的微塑料對土壤和植物的危害則可能更大，很可能對種子萌發(fā)、根系生長等產生負面作用。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氣孔途徑進入蠶豆葉片內[11]。李連禎等[12]利用溶液培養(yǎng)試驗首次證實，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。利用土壤盆栽試驗發(fā)現(xiàn)1%的微塑料對小麥生長有顯著負面作用，尤其是生物可降解塑料比PE表現(xiàn)出更強烈的抑制作用[13]。顯然，微塑料對陸生植物尤其是農作物的生物效應研究急需更多探討。

本研究假設微塑料能夠對植物產生毒性效應，但是可能與粒徑與暴露濃度有關。為此，通過研究不同粒徑和暴露濃度聚乙烯微塑料對綠豆發(fā)芽的研究，旨在探討微塑料對植物發(fā)芽的影響及可能的機制，為深入研究微塑料對農田生態(tài)系統(tǒng)的影響尤其是對植物的生物效應提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

微塑料材質為高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），購自東明塑化公司。密度在0.940-0.976g/cm3范圍內，結晶度為80%-90%，軟化點為125-135℃。微塑料經手工過篩，分成0.55-0.88mm、0.106-0.15mm、0.023-0.038mm等3個不同的粒徑范圍。微塑料經0.1M稀鹽酸、去離子水清洗，風干后后備用。供試綠豆（Vigna radiata）種子購于青島當?shù)爻?，用次氯酸鈉溶液消毒，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

選用9cm玻璃培養(yǎng)皿，每個培養(yǎng)皿裝90g石英砂，播種10粒種子。選用3個粒徑的微塑料，濃度設置為0.1、1、10、100mg/g共計4個水平，同時設置不添加微塑料的對照，均重復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天開始每天早晚兩次向培養(yǎng)皿中加入5mL蒸餾水，清點并記錄發(fā)芽種子數(shù)（當芽長超過種子一半時，視為發(fā)芽）。培養(yǎng)結束后測定發(fā)芽率。將幼苗分為地上部分和地下部分，分別測其長度、鮮重。將測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軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。利用Duncan多重比較進行單因素方差分析（P<0.05）。

2 結果

2.1 發(fā)芽率

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

2.2 根長、芽長

與對照相比，高濃度（100mg/g）的微塑料顯著影響綠豆的根長（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。對于芽長，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)處理促進芽的伸長或沒有顯著影響。

2.3 鮮重、干重

與對照相比，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），其他處理均沒有顯著影響。對于干重，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)處理中沒有顯著影響干重（0.55-0.88mm、10mg/g除外）。

聚乙烯微塑料對綠豆幼苗的干重影響不大，最小粒徑、最大濃度實驗組的鮮重卻顯著減小，說明此組幼苗的水分含量顯著減少。

2.4 含水率

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

3 討論

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

通過水培試驗證實，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]。這說明微塑料在足夠小時可能透過細胞壁、細胞膜等屏障，進入細胞內部，引起氧化脅迫，改變養(yǎng)分、水分的吸收和運輸，影響植物的正常生長發(fā)育。本研究中，微塑料粒徑較大，進入植物內部的可能性不大，在植物表面的附著作用很可能是其產生影響的主要途徑。

根據(jù)農業(yè)部統(tǒng)計，我國2016年地膜使用量146.80萬噸，地膜覆蓋面積超過1840.1萬公頃，而農膜的回收率較低。農田中的殘膜會逐漸老化、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)分狀況和生長發(fā)育。更為重要的是，微塑料吸附性強，被認為是PAHs、農藥、重金屬等污染物的載體[14-19]，間接影響作物種子發(fā)芽、根系生長和吸收作用。微塑料的生物效應及其機制尚需進一步探討。

參考文獻

[1]Thompson RC， Olsen Y，Mitchell RP， et al. Lost at sea： where is all the plastic [J]？ Science， 2004， 304（5672）： 838-838.

[2]Avio CG， Gorbi S， Regoli F. Plastics and microplastics in the oceans： From emerging pollutants to emerged threat [J]. Marine Environmental Research， 2017， 128： 2-11.

[3]Galloway TS， Cole M， Lewis C. Interactions of microplastic debris throughout the marine ecosystem [J]. Nature Ecology & Evolution， 2017， 1（5）： 116.

[4]李富云，賈芳麗，涂海峰，等.海洋中微塑料的環(huán)境行為和生態(tài)影響[J]. 生態(tài)毒理學報， 2017， 12（6）： 11-18.

[5]孫承君， 蔣鳳華， 李景喜， 等. 海洋中微塑料的來源、分布及生態(tài)環(huán)境影響研究進展[J]. 海洋科學進展， 2016， 34（4）： 449-461.

[6]de Souza Machado AA， Kloas W， Zarfl C， et al. Microplastics as an emerging threat to terrestrial ecosystems [J]. Global Change Biology， 2018， 24（4）： 1405-1416.

[7]Rillig MC， Ingraffia R， Machado AA. Microplastic incorporation into soil in agroecosystems [J]. Frontiers in Plant Science， 2017， 8： 1805.

[8]Lwanga EH， Vega JM， Quej VK， et al. Field evidence for transfer of plastic debris along a terrestrial food chain [J]. Scientific Reports， 2017， 7（1）： 14071.

[9]Horton AA， Walton A， Spurgeon DJ， et al. Microplastics in freshwater and terrestrial environments： evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities [J]. Science of the Total Environment， 2017， 586： 127-141.

[10]Lwanga EH， Gertsen H， Gooren H， et al. Incorporation of microplastics from litter into burrows of Lumbricus terrestris [J]. Environmental Pollution， 2017， 220： 523-531.

[11]Eichert T， Kurtz A， Steiner U， et al. Size exclusion limits and lateral heterogeneity of the stomatal foliar uptake pathway for aqueous solutes and water-suspended nanoparticles [J]. Physiologia Plantarum， 2008， 134（1）： 151-160.

[12]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： doi： 10.1360/N972018-00845

[13]Qi YL， Yang XM， Pelaez AM， et al. Macro- and micro- plastics in soil-plant system： Effects of plastic mulch film residues on wheat （Triticum aestivum） growth [J]. Science of the Total Environment， 2018， 645： 1048-1056.

[14]Ma Y， Huang A， Cao S， et al. Effects of nanoplastics and microplastics on toxicity， bioaccumulation， and environmental fate of phenanthrene in fresh water [J]. Environmental Pollution， 2016，219：166-173.

[15]Koelmans AA，Bakir A， Burton GA， et al. Microplastic as a vector for chemicals in the aquatic environment： critical review and model-supported reinterpretation of empirical studies [J]. Environmental Science & Technology， 2016， 50（7）： 3315-3326.

[16]鄒亞丹，徐擎擎，張哿，等.微塑料與農藥污染的聯(lián)合毒性作用研究進展[J]. 生態(tài)毒理學報，2017，12（4）：25-33.

[17]Rodríguez-Seijo A， Santos B， da Silva EF， et al. Low-density polyethylene microplastics as a source and carriers of agrochemicals to soil and earthworms [J]. Environmental Chemistry， 2019， 16（1）：8-17.

[18]Munier B，Bendell LI. Macro and micro plastics sorb and desorb metals and act as a point source of trace metals to coastal ecosystems [J].PLoS ONE，2018， 13（2）： e0191759.

[19]Turner A，Holmes LA. Adsorption of trace metals by microplastic pellets in fresh water [J].Environmental Chemistry，2015，12（5）：600-610.

收稿日期：2019-04-03

作者簡介：劉鎣鎣（1990-），女，本科生，研究方向為環(huán)境毒理學。

通訊作者：王發(fā)園（1975-），男，博士，教授，研究方向為環(huán)境生物修復。