微塑料和鎘及其復(fù)合對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響

王澤正，楊亮，李婕，付東東，胡維薇，范正權(quán)，彭麗成*

（1.海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，?？?570100；2.海南省農(nóng)林環(huán)境過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570100；3.墣錦環(huán)境工程（海南）有限公司，?？?570105）

近年來，新型污染物微塑料引起了全球的廣泛關(guān)注[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，土壤中的微塑料污染十分普遍，其豐度可能是海洋中的 4～23 倍[1，4]。其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程因大量使用農(nóng)用塑料薄膜、有機(jī)肥等農(nóng)資，或通過污水灌溉、大氣沉降等途徑而導(dǎo)致農(nóng)田土壤中積累的微塑料含量遠(yuǎn)高于海洋[5-10]。有研究報(bào)道我國(guó)經(jīng)有機(jī)肥施用進(jìn)入農(nóng)田土壤的微塑料含量高達(dá)52.4～26 400.0 t[1]。上海郊區(qū)農(nóng)田土壤中微塑料殘留達(dá)（78.00±12.91）個(gè)·kg-1土（0～3 cm 土層）和（62.50±12.97）個(gè)·kg-1土（3～6 cm 土層）[11]。由此，土壤生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是受微塑料污染最為嚴(yán)重的陸地生態(tài)系統(tǒng)[12-13]，微塑料污染可能成為陸地生態(tài)系統(tǒng)的新威脅[14-15]。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的微塑料可造成土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)變化（如增加孔隙率、改變團(tuán)粒結(jié)構(gòu)），改變生物物理環(huán)境，從而影響生物適應(yīng)性和土壤功能，降低土壤生物多樣性及其功能多樣性，并對(duì)陸地系統(tǒng)的水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能以及土壤生物的多樣性產(chǎn)生影響[16-19]。當(dāng)微塑料對(duì)土壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)過程產(chǎn)生一定擾動(dòng)時(shí)，植物種子萌發(fā)及生長(zhǎng)特性也可能隨之受到影響[5，7，20-21]。如連加攀等[5]發(fā)現(xiàn)，乙烯-乙酸乙烯酯共聚合物（EVA）、低密度聚乙烯（LDPE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）會(huì)不同程度地影響小麥種子的發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)。在物理特性上，微塑料在環(huán)境中可進(jìn)一步降解成納米級(jí)塑料甚至更小的顆粒，使其比表面積增大，成為更有效的污染物吸附劑和載體，并對(duì)動(dòng)物和人類健康構(gòu)成威脅[4]。此外，（微）塑料容易在環(huán)境中發(fā)生老化，在湍流、鹽度和紫外線輻射等外部作用下，其表面電荷、粗糙度、孔隙度、極性和疏水性都會(huì)增加，這些特性使其成為從環(huán)境中吸收更多污染物如重金屬、持久性有機(jī)污染物（POPs）等的完美載體[6-7]。付東東等[8]研究了微米級(jí)聚苯乙烯對(duì)銅的吸附特性，結(jié)果表明其對(duì)銅有一定的吸附能力。楊杰等[22]研究了微塑料對(duì)四環(huán)素的吸附，結(jié)果表明不同種類的微塑料（如聚苯乙烯、聚酰胺和聚乙烯等）對(duì)四環(huán)素均有一定的吸附能力。

除微塑料污染之外，我國(guó)土壤同時(shí)面臨較為嚴(yán)重的重金屬污染，其中鎘較為常見[23]。調(diào)查表明，土壤中鎘的含量遠(yuǎn)高于背景值，我國(guó)鎘污染耕地面積達(dá)1 300 萬hm2，多地區(qū)農(nóng)田在一定程度上受到污染[24-26]。鎘易被植物吸收并累積，影響人類對(duì)土壤的長(zhǎng)期利用和作物種植安全，甚至可通過食物鏈最終威脅人類健康[23，26-27]。

水稻是我國(guó)的主要糧食作物，全國(guó)60%以上的人口以稻米為主食[28]。有關(guān)重金屬對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響已有較多研究，但針對(duì)新型污染物微塑料與重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)特性的影響尚未見報(bào)道。土壤中可能同時(shí)存在微塑料和重金屬鎘，二者極可能會(huì)發(fā)生不同的交互作用。因此，本文采用水稻作為供試植物，以重金屬鎘和兩種典型微塑料——聚苯乙烯（mPS）與聚對(duì)苯二甲酸類塑料（mPET）為研究對(duì)象，主要研究其單一及復(fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)特性的影響，旨在探討共存污染物對(duì)農(nóng)作物的生態(tài)效應(yīng)，為后期評(píng)估微塑料污染對(duì)作物的生態(tài)毒理效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻為Y 兩優(yōu)900（國(guó)審稻2016044，實(shí)測(cè)發(fā)芽率為95%）。過氧化氫（H2O2，30%）和氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）均為分析純。實(shí)驗(yàn)中所用塑料聚苯乙烯（PS）購(gòu)買于上海阿拉丁生化科技股份有限公司（CAS 號(hào)：9003-53-6），聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）購(gòu)買于No.8863 華潤(rùn)（中國(guó)常州）。兩種塑料顆粒經(jīng)液氮冷凍干燥后由高速破碎機(jī)研磨成粒徑為200～300 μm 的微塑料mPS 和mPET。經(jīng)掃描電子顯微鏡（圖1）可見，微塑料粒徑分布較為均勻。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用1.5%H2O2溶液浸泡健康飽滿的參試水稻種子20 min，去離子水反復(fù)沖洗并浸泡6 h 后將種子瀝干備用。將20 粒水稻種子整齊擺放于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿（直徑為9 cm）中。本研究主要參考了連加攀等[5]研究中設(shè)置的微塑料濃度，同時(shí)結(jié)合前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置了單一和復(fù)合實(shí)驗(yàn)中的外加微塑料量。鎘暴露濃度參考陳杰[28]的研究，并結(jié)合前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。具體操作中，將定量微塑料撒在濾紙上，盡量使其分布均勻，使水稻種子受到的暴露一致。

單一污染實(shí)驗(yàn)：在上述培養(yǎng)皿中分別加入5 mL濃度為100、300、500、1 000 mg·L-1和1 500 mg·L-1的微塑料（mPS 和 mPET）懸浮液；2、5、10 mg·L-1和 50 mg·L-1鎘溶液。所有處理設(shè)置3次重復(fù)。

復(fù)合污染實(shí)驗(yàn)：基于上述單一污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在培養(yǎng)皿中分別加入5 mL mPS 和mPET（100 mg·L-1和500 mg·L-1）及鎘（2 mg·L-1和10 mg·L-1）的復(fù)合溶液，所有處理設(shè)置3 次重復(fù)，探究二者復(fù)合對(duì)水稻種子發(fā)芽的影響。

對(duì)照組：用等量的去離子水培養(yǎng)，所有處理設(shè)置3次重復(fù)。

將處理好的培養(yǎng)皿置于生化培養(yǎng)箱（型號(hào)LRH-150），在25 ℃的條件下培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)過程中，每日記錄小麥種子萌發(fā)情況，并加入適量的去離子水以補(bǔ)償蒸發(fā)的水分，保持培養(yǎng)液的濃度不變。補(bǔ)充的水量根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)階段的結(jié)果確定，大致為：在未加濾紙和種子的情況下，向培養(yǎng)皿中加入5 mL 去離子水，蓋上蓋，在與處理組實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，每隔24 h 測(cè)定培養(yǎng)皿中剩余水的體積，間接計(jì)算出每日的蒸發(fā)水分量，約0.3～0.5 mL。

1.3 測(cè)定方法

以幼芽達(dá)到種子長(zhǎng)度一半，根長(zhǎng)與種子等長(zhǎng)作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，第7 d 統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、平均胚根長(zhǎng)和胚芽長(zhǎng)。胚根長(zhǎng)度與胚芽長(zhǎng)度用1/10 cm尺子人工測(cè)量。發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

式中：Gt為td內(nèi)的發(fā)芽數(shù)；Dt為對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)，d。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（Mean±SD）表示，采用Excel 2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中，單一實(shí)驗(yàn)采用單因素ANOVA檢驗(yàn)分析，復(fù)合實(shí)驗(yàn)采用雙因素方差分析。

采用計(jì)算生長(zhǎng)凈變化量（ΔI）[29]的方法來判斷微塑料和鎘對(duì)水稻種子萌發(fā)的聯(lián)合作用：

式中：IMPs+Cd、ICd、IMPs和ICK為微塑料與鎘復(fù)合、單獨(dú)加入鎘和單獨(dú)加入微塑料以及空白對(duì)照的生長(zhǎng)變化。ΔI=0，微塑料與鎘之間無交互作用；ΔI＞0，微塑料與鎘之間存在拮抗作用；ΔI＜0，微塑料與鎘之間存在協(xié)同作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一微塑料對(duì)水稻種子發(fā)芽的影響

2.1.1 單一微塑料對(duì)水稻種子發(fā)芽率的影響

發(fā)芽率是衡量種子在污染物脅迫下萌發(fā)能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。在微塑料暴露下，水稻種子的發(fā)芽率為86.7%～96.7%（圖2），表明大部分水稻種子在微塑料影響下仍可以萌發(fā)，但不同的微塑料對(duì)水稻種子發(fā)芽的影響有所差異。在mPS暴露下，水稻種子的發(fā)芽率基本表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律（圖2a），即mPS 濃度較低時(shí)（100 mg·L-1和300 mg·L-1）對(duì)水稻種子的發(fā)芽有所促進(jìn)，濃度較高時(shí)（＞300 mg·L-1）對(duì)水稻種子的發(fā)芽表現(xiàn)出一定的抑制作用。值得注意的是，與500 mg·L-1和 1 500 mg·L-1的 mPS 相比較，1 000 mg·L-1mPS對(duì)水稻種子的抑制作用減弱，發(fā)芽率與空白對(duì)照組相同。相比而言，mPET 對(duì)水稻種子發(fā)芽率的影響為低促中抑高恢復(fù)（圖2b）。濃度為100 mg·L-1（低濃度）時(shí)，mPET 促進(jìn)了水稻種子的發(fā)芽；濃度為300 mg·L-1時(shí)，對(duì)水稻種子的發(fā)芽幾乎無影響，發(fā)芽率與空白對(duì)照組相同；濃度升高至500 mg·L-1和1 000 mg·L-（1中濃度）時(shí)，水稻種子的發(fā)芽受到抑制；然而當(dāng)濃度為1 500 mg·L-（1高濃度）時(shí)，mPET 對(duì)水稻種子的抑制作用消失，甚至出現(xiàn)發(fā)芽率高于空白對(duì)照組的現(xiàn)象。

2.1.2 單一微塑料對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性的影響

mPS 處理對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響基本表現(xiàn)為抑制作用（表1），各處理間差異不顯著（P＞0.05）。mPS 濃度為500 mg·L-1時(shí)，對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)的抑制作用最大。mPS 處理對(duì)水稻種子發(fā)芽指數(shù)的影響基本表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律（表1），即低濃度（100 mg·L-1）促進(jìn)，中、高濃度（300、500、1 000 mg·L-1和1 500 mg·L-1）抑制，其中 1 500 mg·L-1的 mPS 的抑制作用顯著（P＜0.05）。mPS 處理對(duì)水稻種子活力指數(shù)的影響基本表現(xiàn)為促進(jìn)作用，在濃度為1 000 mg·L-1時(shí)，促進(jìn)作用顯著（P＜0.05）。

相比而言，mPET 處理對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響基本表現(xiàn)為抑制作用（表1），僅1 500 mg·L-1時(shí)表現(xiàn)為促進(jìn)作用，但促進(jìn)作用較弱，各處理間差異不顯著（P＞0.05）。與對(duì)照組相比，mPET 處理對(duì)水稻種子發(fā)芽指數(shù)的影響基本表現(xiàn)為低促中抑高恢復(fù)的規(guī)律，即低濃度（100 mg·L-1）促進(jìn)，中濃度（300、500 mg·L-1和1 000 mg·L-1）抑制，高濃度（1 500 mg·L-1）促進(jìn)作用恢復(fù)，但與對(duì)照組相比差異均不顯著（P＞0.05）。mPET處理對(duì)水稻種子活力指數(shù)的影響基本表現(xiàn)為促進(jìn)作用，在濃度為1 500 mg·L-1時(shí)，促進(jìn)作用顯著（P＜0.05）。然而，500 mg·L-1的mPET 對(duì)水稻種子活力指數(shù)的影響表現(xiàn)為抑制作用。在微塑料暴露時(shí)，對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性的影響結(jié)論不一，與對(duì)照組相比，處理組mPS（1 000 mg·L-1）和mPET（1 500 mg·L-1）顯著地增強(qiáng)了處理組中水稻種子的活力指數(shù)（P＜0.05)，而這兩個(gè)處理在對(duì)水稻中的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)上分別表現(xiàn)出不顯著地抑制或促進(jìn)作用（表1）。

表1 單一微塑料及重金屬鎘對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特征的影響Table 1 Effects of single MPs（mPS，mPET）and Cd on seeds growth characteristics of rice

2.1.3 單一微塑料對(duì)水稻種子根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響

由圖3a 可知，mPS 和mPET 對(duì)水稻芽的生長(zhǎng)均起促進(jìn)作用，具體表現(xiàn)為微塑料高濃度（1 000 mg·L-1和1 500 mg·L-1）和低濃度（100 mg·L-1）時(shí)，促進(jìn)作用較強(qiáng)，中濃度（300 mg·L-1和500 mg·L-1）時(shí)，促進(jìn)作用較弱。由圖3b可知，mPS和mPET 對(duì)水稻根的生長(zhǎng)影響基本表現(xiàn)為促進(jìn)作用。有所不同的是，500 mg·L-1的mPET 對(duì)水稻的根長(zhǎng)有所抑制，但抑制作用較弱?？傮w來說，單一微塑料對(duì)水稻種子根和芽的生長(zhǎng)影響相對(duì)較小。

2.2 單一重金屬鎘對(duì)水稻種子發(fā)芽的影響

2.2.1 單一鎘對(duì)水稻種子發(fā)芽率的影響

在鎘脅迫下，隨著鎘濃度的升高，水稻種子的發(fā)芽率呈下降趨勢(shì)（圖4）。鎘脅迫對(duì)水稻種子發(fā)芽率的影響總體表現(xiàn)出低促高抑的規(guī)律，鎘溶液濃度較低時(shí)（2 mg·L-1和5 mg·L-1），對(duì)發(fā)芽率起促進(jìn)作用，當(dāng)鎘溶液濃度升高時(shí)（10 mg·L-1和50 mg·L-1）則抑制發(fā)芽率。

2.2.2 單一鎘對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性的影響

鎘污染對(duì)水稻種子的生長(zhǎng)特性指標(biāo)（發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)）基本表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律（表1），但具體表現(xiàn)有所差異。鎘濃度為2 mg·L-1和5 mg·L-1時(shí)，對(duì)水稻種子的生長(zhǎng)特征指標(biāo)均表現(xiàn)為促進(jìn)作用。當(dāng)鎘濃度增加至10 mg·L-1和50 mg·L-1時(shí)，對(duì)水稻種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)出抑制作用，而10 mg·L-1的鎘對(duì)水稻種子的活力指數(shù)表現(xiàn)為促進(jìn)作用。由表1 可知，隨著鎘脅迫濃度的升高，水稻種子的生長(zhǎng)特征指標(biāo)均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。與對(duì)照組相比，鎘脅迫濃度在 2 mg·L-1和 50 mg·L-1時(shí)差異顯著（P＜0.05）。

2.2.3 單一鎘對(duì)水稻芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響

單一鎘對(duì)水稻芽生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律（圖5），低濃度（2、5 mg·L-1和10 mg·L-1）促進(jìn)芽的生長(zhǎng)，高濃度（50 mg·L-1）抑制芽的生長(zhǎng)。與對(duì)照組相比，促進(jìn)作用和抑制作用均不顯著（P＞0.05）。

單一鎘對(duì)水稻根生長(zhǎng)的影響也表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律（圖5），低濃度（2 mg·L-1和5 mg·L-1）促進(jìn)根的生長(zhǎng)，濃度為10 mg·L-1時(shí)不影響根的生長(zhǎng)，高濃度（50 mg·L-1）顯著抑制根的生長(zhǎng)。

2.3 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)水稻種子發(fā)芽的影響

2.3.1 微塑料-鎘復(fù)合對(duì)水稻種子發(fā)芽率的影響

低濃度mPET與鎘的復(fù)合作用促進(jìn)了水稻種子的發(fā)芽，較高濃度mPET 與鎘的復(fù)合作用幾乎不影響水稻種子的發(fā)芽（圖6a）。鎘濃度一定時(shí)，mPET 濃度升高，對(duì)發(fā)芽率的促進(jìn)作用減弱，即100 mg·L-1的mPET與鎘溶液（2 mg·L-1和10 mg·L-1）的復(fù)合作用促進(jìn)水稻種子發(fā)芽；500 mg·L-1的mPET 與鎘溶液（2 mg·L-1和10 mg·L-1）的復(fù)合作用幾乎不影響水稻種子的發(fā)芽。

低濃度鎘溶液與mPS 的復(fù)合作用對(duì)水稻種子的發(fā)芽有所抑制，但抑制作用較小，較高濃度鎘與mPS的復(fù)合作用對(duì)水稻種子的發(fā)芽幾乎無影響（圖6b）。mPS 濃度一定時(shí)，鎘濃度升高，對(duì)發(fā)芽率的抑制作用減弱，即2 mg·L-1的鎘溶液與mPS（100 mg·L-1和500 mg·L-1）的復(fù)合作用抑制水稻種子的發(fā)芽；10 mg·L-1的鎘溶液與 mPS（100 mg·L-1和 500 mg·L-1）的復(fù)合作用對(duì)水稻種子的發(fā)芽無明顯影響，發(fā)芽率與對(duì)照組相近。

2.3.2 微塑料-鎘復(fù)合對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性的影響

由表2可知，微塑料-鎘的復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響均表現(xiàn)為促進(jìn)作用，且對(duì)活力指數(shù)的促進(jìn)作用顯著（P＜0.05）。微塑料-鎘的復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響基本表現(xiàn)為促進(jìn)作用，僅10 mg·L-1的鎘溶液和500 mg·L-1的mPS、2 mg·L-1的鎘溶液和500 mg·L-1的mPS的復(fù)合作用對(duì)水稻種子的發(fā)芽勢(shì)起抑制作用。對(duì)比單一污染物脅迫，高濃度微塑料（500 mg·L-1）與鎘的復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特征的影響基本表現(xiàn)為拮抗作用，如對(duì)發(fā)芽勢(shì)均表現(xiàn)為拮抗作用，這表明在兩種污染物（微塑料-鎘復(fù)合）脅迫下，水稻種子的發(fā)芽率比單一（微塑料或鎘）污染脅迫下高，對(duì)水稻種子的影響降低。低濃度微塑料（100 mg·L-1）與低濃度鎘（2 mg·L-1）的復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子的發(fā)芽指數(shù)為協(xié)同作用，即低濃度微塑料會(huì)增強(qiáng)低濃度鎘對(duì)水稻種子發(fā)芽的抑制作用。

2.3.3 微塑料-鎘復(fù)合對(duì)水稻根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響

由表3 可知，微塑料-鎘復(fù)合效應(yīng)能夠顯著促進(jìn)水稻芽的生長(zhǎng)（P＜0.05），且不同處理下，對(duì)芽的生長(zhǎng)的促進(jìn)作用差異不大。微塑料-鎘復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻根生長(zhǎng)的影響幾乎表現(xiàn)為促進(jìn)作用。對(duì)比單一污染物，低濃度的mPS（100 mg·L-1）與低濃度的鎘溶液對(duì)根和芽的生長(zhǎng)為協(xié)同作用，這與表2 中低濃度微塑料與低濃度鎘對(duì)水稻種子的協(xié)同作用相似。低濃度（100 mg·L-1）的mPET 與高濃度（10 mg·L-1）的鎘溶液的復(fù)合效應(yīng)也為協(xié)同作用。根生長(zhǎng)受到的復(fù)合影響比芽大。

3 討論

發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)等是衡量農(nóng)作物種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)，活力指數(shù)是反映農(nóng)作物種子品質(zhì)的重要參數(shù)[30-31]。鎘脅迫對(duì)水稻種子的萌發(fā)具有不同程度的影響。根據(jù)陳杰[28]的研究，低濃度鎘對(duì)水稻種子的萌發(fā)有促進(jìn)作用，高濃度鎘會(huì)影響水稻種子的發(fā)芽率，且隨鎘濃度增加，抑制作用增強(qiáng)；鎘對(duì)水稻幼根生長(zhǎng)的影響，在低濃度下即表現(xiàn)為抑制作用，根長(zhǎng)隨鎘濃度的增加而遞減。閆靜等[32]研究指出，鎘對(duì)根生長(zhǎng)的影響要大于芽。本研究結(jié)果表明，鎘對(duì)水稻種子萌發(fā)特性的影響基本表現(xiàn)為低促高抑，且隨著鎘濃度的升高，各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。鎘濃度較高時(shí)，其能顯著抑制根的生長(zhǎng)，此結(jié)論與前人的研究結(jié)果基本吻合。

表2 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特征的交互作用Table 2 Combined effects of MPs and Cd on growth characteristics of rice seeds

表3 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)水稻種子根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的交互作用Table 3 Combined effects of MPs and Cd on root length and bud length of rice seeds

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微塑料與作物之間相互作用的研究較少，微塑料對(duì)植物的作用機(jī)理尚不清晰[5，7，13]。 本 研 究 發(fā) 現(xiàn) mPS 和 mPET 在 低 濃 度 時(shí) 對(duì) 水稻種子的發(fā)芽起促進(jìn)作用，中濃度起抑制作用，高濃度抑制作用減弱，或無影響甚至是促進(jìn)作用。劉鎣鎣等[9]研究了聚乙烯微塑料對(duì)綠豆發(fā)芽的毒性效果，指出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)。微塑料本身所帶的電荷和粒徑可能會(huì)影響水稻種子對(duì)微塑料的吸收和吸附[6，33]。低中濃度下粒徑可能是影響微塑料生物效應(yīng)的主要原因，微塑料粒徑變小，其比表面積增大，可能更利于水稻對(duì)微塑料的吸附[5，9]。當(dāng)微塑料的濃度較高時(shí)，其容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致溶液中游離態(tài)微塑料濃度減小，即實(shí)際發(fā)揮作用的濃度降低，從而減弱對(duì)水稻種子發(fā)芽率的抑制，甚至無影響以及起到促進(jìn)作用[6，34]。團(tuán)聚后，微塑料的粒徑會(huì)阻礙吸附，從而降低水稻種子對(duì)微塑料的可接觸性，減輕發(fā)芽脅迫[5]。與對(duì)照組相比，微塑料對(duì)水稻種子的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均起一定的促進(jìn)作用，表明一定量的微塑料有助于水稻種子的生長(zhǎng)，與連加攀等[5]和劉鎣鎣等[9]的研究相比有所不同，可能是由微塑料種類和粒徑的差異所造成的。與鎘相比較，微塑料對(duì)水稻種子生長(zhǎng)的影響較小。

在研究微塑料與重金屬的聯(lián)合作用時(shí)，考慮到不同條件下微塑料對(duì)重金屬的吸附量不同，故在前期工作中先測(cè)定了微塑料mPS對(duì)鎘的吸附量變化（暫未發(fā)表）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，稱取0.02 g的mPS于50 mL聚乙烯離心管中，再加入20 mL濃度為1 mg·L-1的鎘溶液，結(jié)果表明：mPS 對(duì)鎘離子的平衡吸附量為0.185 mg·g-1，吸附開始5 h 內(nèi)為快速吸附階段，5～24 h為緩慢吸附階段，24～48 h逐漸達(dá)到吸附平衡。在吸附等溫線實(shí)驗(yàn)中，稱取0.02 g 的mPS于50 mL 聚乙烯離心管中，加入20 mL 濃度為0.1、0.3、0.5、1、1.5、2 mg·L-1的鎘溶液，結(jié)果表明：鎘離子在mPS上的吸附等溫線為非線性，微塑料的吸附量隨著鎘濃度的升高而增加。

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文設(shè)置的復(fù)合實(shí)驗(yàn)中選取的微塑料濃度為100 mg·L-1（對(duì)水稻種子的發(fā)芽起促進(jìn)作用）和500 mg·L-1（有較弱的抑制作用），鎘濃度為2 mg·L-1（促進(jìn)作用）和10 mg·L-1（抑制作用，但抑制作用較弱）。100 mg·L-1mPET 與鎘溶液（2 mg·L-1和10 mg·L-1）復(fù)合對(duì)水稻種子的發(fā)芽率起促進(jìn)作用，且高于單一微塑料或單一鎘作用下的發(fā)芽率，屬于協(xié)同作用。2 mg·L-1鎘溶液與 mPS（100 mg·L-1和 500 mg·L-1）的復(fù)合作用對(duì)水稻種子的發(fā)芽率起抑制作用，且低于單一微塑料或單一鎘作用下的發(fā)芽率，屬于拮抗作用。將mPS-鎘的復(fù)合與mPET-鎘的復(fù)合相比較可知，mPS-鎘的復(fù)合作用對(duì)水稻萌發(fā)的毒性更小。在微塑料-鎘的復(fù)合效應(yīng)下，水稻種子發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)等參數(shù)高于微塑料或鎘的單一效應(yīng)下的參數(shù)，屬于協(xié)同作用。

由此可知，不同種類、不同濃度的微塑料與不同濃度的重金屬溶液的復(fù)合作用存在較大差異。微塑料可以通過吸附作用富集金屬離子，微塑料與污染物聯(lián)合作用于生物體時(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)污染物對(duì)生物體的毒性效應(yīng)[35]，即抑制水稻種子的發(fā)芽，如2 mg·L-1的鎘溶液與mPS（100 mg·L-1和500 mg·L-1）的復(fù)合可能損害了水稻種子某些組織，從而導(dǎo)致發(fā)芽受到抑制。此外，微塑料也可通過降低污染物接觸濃度、污染物或共污染物的生物可利用性減緩污染物對(duì)生物體的毒性效應(yīng)[35]，即促進(jìn)水稻種子的發(fā)芽。如本研究中的實(shí)驗(yàn)組合 100 mg·L-1的 mPET 和 mPS 與 2 mg·L-1鎘溶液，相比單一污染物濃度下，該組合發(fā)生協(xié)同作用，反而促進(jìn)了種子發(fā)芽。微塑料和鎘的復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均表現(xiàn)出較為顯著的促進(jìn)作用，對(duì)比單一污染物，低濃度的微塑料與鎘的復(fù)合對(duì)種子的芽和根生長(zhǎng)大體表現(xiàn)為協(xié)同作用，可能是因?yàn)槲⑺芰吓c鎘的復(fù)合濃度較低。不同種類的微塑料對(duì)鎘的吸附能力具有差異，且對(duì)不同濃度鎘的吸附能力不同[36]，因此推斷微塑料與鎘聯(lián)合作用對(duì)植物的作用機(jī)理差異較大，還有待進(jìn)一步研究。

在自然環(huán)境中，由于不同種類的污染物同時(shí)存在，它們之間存在著復(fù)雜的交互作用（如協(xié)同作用、拮抗作用或其他），另外環(huán)境條件也是多種多樣，微塑料對(duì)污染物吸附行為的研究需要進(jìn)一步綜合考慮生物膜等生物因素以及溫度和鹽度等非生物因素、微塑料物理性質(zhì)（粒徑大小、表面形態(tài)和顏色等）和化學(xué)性質(zhì)（絡(luò)合物和濃度等）[37]。此外，微塑料在環(huán)境中容易老化，導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生明顯變化，從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的毒理現(xiàn)象[38]。因此，微塑料與其他污染物的聯(lián)合毒性效應(yīng)和機(jī)制尚不明確，需要對(duì)它們相互作用行為以及評(píng)價(jià)方法作進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）在本實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，單一微塑料處理對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響基本表現(xiàn)為抑制作用，對(duì)發(fā)芽指數(shù)基本表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律，對(duì)活力指數(shù)、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響基本表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

（2）鎘脅迫對(duì)水稻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)基本表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律，但對(duì)水稻種子的抑制率高于單一微塑料。

（3）與對(duì)照組相比，低濃度mPET（100 mg·L-1）-鎘復(fù)合促進(jìn)水稻種子的發(fā)芽，mPS-低濃度鎘（2 mg·L-1）復(fù)合抑制其發(fā)芽，其他復(fù)合作用對(duì)水稻種子發(fā)芽率幾乎無影響。微塑料-鎘復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響總體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

（4）與單一微塑料或鎘作用相比，低濃度微塑料（100 mg·L-1）和低濃度鎘（2 mg·L-1）復(fù)合對(duì)種子發(fā)芽的影響表現(xiàn)為協(xié)同作用，高濃度微塑料（500 mg·L-1）與鎘復(fù)合均表現(xiàn)為拮抗作用。微塑料-鎘復(fù)合效應(yīng)對(duì)水稻種子生長(zhǎng)特性、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響總體表現(xiàn)出一定的拮抗作用。