微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)綠豆種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)的影響

鄭陽，查旭瓊，周凱泰，王娟,張躍進(jìn)

(嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江嘉興 314033)

近年來，微塑料作為新型污染物引起了全球的廣泛關(guān)注.[1-11]聚乙烯(Polyethylene)簡(jiǎn)稱 PE，是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的高分子有機(jī)化合物，試驗(yàn)表明，PE對(duì)綠豆種子的發(fā)芽率沒有顯著影響，甚至在某些濃度情況下還有助于芽和根的生長(zhǎng)，但當(dāng)其粒徑達(dá)到0.023～0.038 mm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)，會(huì)顯著降低綠豆種子的干重、鮮重、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng).[12]重金屬是典型的累積型污染物，具有不可降解性、顯著生物毒性和持久性特征，其中，鎘(Cd)是毒性最強(qiáng)的重金屬污染元素之一.[13-16]

在自然環(huán)境中，不同種類的污染物之間存在著復(fù)雜的交互作用,當(dāng)它們處于不同的環(huán)境條件下時(shí)，其對(duì)土壤及植物產(chǎn)生的生物效應(yīng)不盡相同.如微塑料的存在會(huì)降低土壤對(duì)Cd2+的吸附能力，增加土壤中Cd2+的解吸量，進(jìn)而導(dǎo)致Cd2+的生物有效性增加，對(duì)環(huán)境造成潛在的威脅.另外，微塑料與鎘的復(fù)合污染對(duì)于小麥種子的芽的影響大于對(duì)根的影響，其復(fù)合效應(yīng)對(duì)小麥種子發(fā)芽、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響總體上表現(xiàn)為促進(jìn)作用，在一定程度上緩解了單一污染物的毒害作用.[17-18]

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究不同濃度的微塑料與鎘溶液復(fù)合污染對(duì)綠豆種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)的影響，為減少微塑料和重金屬的復(fù)合效應(yīng)對(duì)農(nóng)作物種子生長(zhǎng)特性的影響提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試材料與儀器

供試土壤購(gòu)于春念園藝旗艦店.供試綠豆(早綠珍珠二號(hào))購(gòu)于河北慶灃種業(yè)，微塑料材質(zhì)為過30、50、100、300目篩的聚乙烯(PE)顆粒，購(gòu)于中聯(lián)塑化科技有限公司.

分光光度計(jì)(型號(hào)：UV-5100B，購(gòu)于上海元析儀器有限公司)；移液槍(型號(hào)：100-1000 μL，購(gòu)于力晨科技有限公司)；生化培養(yǎng)箱(型號(hào)：SPX-50B，購(gòu)于迎工儀器設(shè)備有限公司).

另有濃度分別為0.02 mg/L、0.5 mg/L的磷酸緩沖液，乙二胺四乙酸二鈉、愈創(chuàng)木酚、氯化鎘、甲硫氨酸、核黃素、氮藍(lán)四唑均為分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將消毒后的綠豆種子置于培養(yǎng)皿中，用去離子水沖洗3～5遍，直至無過氧化氫殘留，再用去離子水將濾紙充分浸潤(rùn)，將綠豆種子表面水分吸干，整齊擺放在鋪有兩層潤(rùn)濕濾紙的培養(yǎng)皿中，在生化培養(yǎng)箱中25 ℃溫度下暗催芽12 h.

選取健康飽滿的綠豆種子進(jìn)行土培，取每份土壤200 g于花盆中，土壤中加入配制好的微塑料-鎘混合懸浮液，以每千克土壤中微塑料或鎘的質(zhì)量為濃度單位，懸浮液的配制方案為：低濃度微塑料懸浮液(100 mg/kg)+不同濃度鎘溶液(2、5、10和50 mg/kg)，組號(hào)記為A1、A2、A3、A4；中等濃度微塑料懸浮液(300、500和1000 mg/kg)+低濃度鎘溶液(2 mg/kg)，組號(hào)記為B1、C1、D1；中等濃度微塑料懸浮液+高濃度鎘溶液(50 mg/kg)，組號(hào)記為B2、C2、D2；高濃度微塑料懸浮液(1500 mg/kg)+不同濃度鎘溶液(2、5、10和50 mg/kg)，組號(hào)記為E1、E2、E3、E4；空白對(duì)照記為CK.所有處理設(shè)置成三個(gè)平行組進(jìn)行.

將等份的綠豆播種于配制好的土壤中，置于生化培養(yǎng)箱，在溫度25 ℃條件下培養(yǎng)7天，每天定時(shí)記錄綠豆種子發(fā)芽數(shù).

1.3 測(cè)量方法

以幼芽達(dá)到種子長(zhǎng)度的一半、根長(zhǎng)與種子等長(zhǎng)作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，以綠豆播種時(shí)記為第1天，第7天將綠豆幼苗置于103 ℃烘箱中烘干24 h至恒重，分別對(duì)其稱重和測(cè)量株高，并參照文獻(xiàn)[19-21] 計(jì)算綠豆的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和抑制率：

發(fā)芽率(GR)=(第7天全部正常發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%

(1)

發(fā)芽勢(shì)(GV)=(第3天正常發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%

(2)

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt

(3)

式(3)中：Gt為t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù)；Dt為對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù).

抑制率=(對(duì)照值-處理值)/對(duì)照值×100%

(4)

再采用文獻(xiàn)[22-24]的方法，分別測(cè)定綠豆的超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性及過氧化氫酶(CAT)的活性.

最后，利用Excel2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Origin8.5作圖分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)綠豆種子發(fā)芽的影響

從表1可知，在微塑料與鎘的交互作用下，“低中濃度微塑料-低濃度鎘”復(fù)合處理對(duì)綠豆種子發(fā)芽沒有明顯影響，而“低濃度微塑料-高濃度鎘”與“高濃度微塑料-低濃度鎘”復(fù)合處理對(duì)綠豆種子發(fā)芽有明顯的抑制作用，抑制率最高分別達(dá)到40.00%、26.7%，在整個(gè)微塑料與鎘的復(fù)合污染處理中，綠豆的發(fā)芽率為60%～100%.而隨著微塑料濃度的增加，綠豆發(fā)芽的抑制率有所下降.在高濃度(1500 mg/kg)的微塑料處理中，綠豆的發(fā)芽率為73%～93%.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，微塑料不僅在水環(huán)境中可以富集金屬離子，在土壤環(huán)境中也有類似的作用，而且會(huì)增強(qiáng)污染物對(duì)生物體的毒性效應(yīng).[25]具體表現(xiàn)為微塑料與污染物聯(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)，從而抑制了綠豆種子的發(fā)芽率.[25]

表1 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)綠豆種子發(fā)芽的影響

而文獻(xiàn)[18]中的實(shí)驗(yàn)表明，高濃度微塑料(>500 mg/kg)與鎘復(fù)合污染處理中，二者表現(xiàn)為拮抗作用，證明高濃度的微塑料在一定程度上可以減輕鎘對(duì)小麥的毒性.同時(shí)，微塑料對(duì)土壤鎘生物有效性的影響在鎘污染的情況下具有部分減輕作用，即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).[25-26]結(jié)合以上研究與本文結(jié)果，可推斷出高濃度微塑料在一定情況下可減少植物對(duì)于土壤中鎘的吸收，并在一定程度上緩解鎘對(duì)于綠豆種子的毒性效應(yīng).

2.2 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)綠豆幼苗株高的影響

圖1是綠豆幼苗株高隨微塑料-鎘復(fù)合濃度變化的情況.

圖1 綠豆幼苗株高測(cè)定

由圖1可知，“低濃度微塑料-低中濃度鎘”復(fù)合處理與“高濃度微塑料-高濃度鎘”復(fù)合處理均呈現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用，且前者為協(xié)同促進(jìn)作用，后者為協(xié)同抑制作用.A1、A2、A3處理的株高增長(zhǎng)率分別達(dá)到了10.89%、10.20%和10.08%，E4處理的株高抑制率高達(dá)48.46%.原因是“低濃度微塑料-低中濃度鎘”之間的吸附作用導(dǎo)致毒性減小，而“高濃度微塑料-高濃度鎘”之間的吸附作用導(dǎo)致毒性更強(qiáng)的微塑料團(tuán)聚并包裹在植物根系周圍.[27-28]

2.3 微塑料-鎘復(fù)合污染對(duì)綠豆幼苗酶活性的影響

由圖2可知，在對(duì)SOD活性的聯(lián)合作用中，“低中濃度微塑料-鎘”復(fù)合處理表現(xiàn)為中和效應(yīng).

圖2 綠豆幼苗各項(xiàng)酶活性指標(biāo)測(cè)定

研究表明，這與微塑料在土壤中的形貌變化有關(guān).[26]進(jìn)入土壤的微塑料經(jīng)紫外線照射后，與土壤組分的相互作用，使其存在結(jié)構(gòu)形貌發(fā)生改變，即可以與土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合，形成更大的聚合態(tài)，增大對(duì)鎘的吸附或固定能力，導(dǎo)致鎘的生物有效性降低，從而出現(xiàn)中和效應(yīng).[25]其中，與高濃度鎘的復(fù)合處理表現(xiàn)為顯著抑制作用，抑制率分別為33.20%、20.56%與11.53%，表明低中濃度微塑料對(duì)鎘的吸附作用不足以阻止鎘毒害SOD的效應(yīng).而“高濃度微塑料-鎘”復(fù)合處理則表現(xiàn)為協(xié)同與拮抗作用交替出現(xiàn)，顯然，對(duì)于高濃度鎘的復(fù)合處理均為協(xié)同抑制作用，抑制率分別為47.64%和62.09%，表明高濃度鎘與高濃度微塑料復(fù)合表現(xiàn)為更強(qiáng)的毒性，說明兩者的毒害機(jī)制都起作用.

微塑料-鎘復(fù)合處理對(duì)綠豆幼苗POD活性的聯(lián)合作用均為拮抗作用.值得注意的是，它們的拮抗作用均能減小微塑料的毒性效應(yīng)，并且絕大部分都對(duì)綠豆發(fā)芽有促進(jìn)作用，促進(jìn)效率最高可達(dá)75.07%.

微塑料-鎘復(fù)合處理對(duì)綠豆幼苗的CAT活性聯(lián)合作用隨濃度增加，表現(xiàn)為協(xié)同與拮抗作用交替出現(xiàn).對(duì)于“低濃度微塑料-低高濃度鎘”復(fù)合處理均為協(xié)同促進(jìn)作用，而“微塑料-高濃度鎘”“中高濃度微塑料-鎘”復(fù)合處理均為拮抗抑制作用，即減弱一方的抑制效應(yīng).而“高濃度微塑料-低中濃度鎘”存在協(xié)同抑制作用.協(xié)同抑制作用率最高可達(dá)97.83%，協(xié)同促進(jìn)效率最高可達(dá)23.90%.表明，微塑料-鎘復(fù)合效應(yīng)對(duì)于綠豆幼苗的CAT活性影響復(fù)雜，但最高濃度的微塑料-鎘復(fù)合脅迫抑制作用仍十分顯著，毒性效應(yīng)強(qiáng).

3 結(jié)語

在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過程中，土壤環(huán)境中的微塑料與重金屬的復(fù)合效應(yīng)對(duì)其生長(zhǎng)特性具有一定的影響.

3.1 微塑料與鎘復(fù)合污染對(duì)綠豆種子發(fā)芽基本呈現(xiàn)抑制作用

低濃度微塑料(100 mg/kg)與高濃度鎘(50 mg/kg)的抑制效應(yīng)最強(qiáng)，抑制率達(dá)40%.而高濃度的微塑料(1500 mg/kg)由于表現(xiàn)出極強(qiáng)的富集金屬離子的能力，與高濃度的鎘復(fù)合呈現(xiàn)出拮抗作用，減弱了鎘的生物毒性，使綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)以及發(fā)芽率分別增長(zhǎng)46%、2.43%和33%.

3.2 微塑料與鎘復(fù)合處理對(duì)綠豆幼苗的生長(zhǎng)總體呈現(xiàn)“低促高抑”的規(guī)律

“低濃度微塑料-低中濃度鎘”復(fù)合處理與“高濃度微塑料-高濃度鎘”復(fù)合處理均呈現(xiàn)出明顯的協(xié)同促進(jìn)以及協(xié)同抑制作用.協(xié)同促進(jìn)作用可使株高的增長(zhǎng)率達(dá)到10.89%，抑制率可達(dá)48.46%.其中，微塑料阻礙植株水分的吸收可能是其中一個(gè)毒害機(jī)制，這與微塑料在土壤中的形態(tài)變化以及遷移行為有關(guān).

3.3 微塑料-鎘復(fù)合污染表現(xiàn)出的聯(lián)合作用與兩者的濃度關(guān)系以及吸附機(jī)制有關(guān)

隨著兩者之間濃度的變化，其不同的聯(lián)合作用影響綠豆幼苗的氧化酶活性.而“高濃度微塑料-高濃度鎘”復(fù)合處理常呈現(xiàn)協(xié)同抑制作用或拮抗抑制作用.對(duì)SOD酶和CAT酶的活性抑制率可達(dá)62.09%和97.83%，而對(duì)POD酶活性則為促進(jìn)作用，促進(jìn)效率可達(dá)75.07%.