聚苯乙烯微塑料對酒用高粱品種“紅櫻子”種子發(fā)芽和幼苗生長的影響

蔣玉婷， 許華杰， 閆松顯， 王家秀

(茅臺學院， 貴州 仁懷 564500)

微塑料(microplastics, MPs)通常認為是粒徑小于5 mm的塑料顆粒，其中，粒徑為1～100 nm的又被稱為納米塑料。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料廣泛存在于水體和土壤等環(huán)境中，其粒徑小且難以降解，本身具有吸附污染物的特性，可作為多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥和重金屬等污染物的載體，其極易被生物吞食后積累在食物鏈中遷移，從而對人體健康形成潛在危害，近年來已作為一種新型污染物被國內(nèi)外學者廣泛關注[1-7]。

目前，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的微塑料污染受到越來越多重視，已有研究證實，微塑料對土壤結構、微生物活性和植物生長產(chǎn)生潛在危害[8-14]。吳佳妮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯納米塑料的植物毒性與粒徑和濃度密切相關，中等濃度( 200 mg/L)對大豆幼苗生長的毒害作用最大。連加攀等[16]研究發(fā)現(xiàn)，粒徑為50 nm的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、線性低密度聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等3種微塑料能夠?qū)π←湻N子的發(fā)芽和生長產(chǎn)生抑制作用，在0～1 000 mg/L濃度范圍內(nèi)對小麥的根長、芽長、苗長和干重均無顯著影響。Giorgetti等[17]研究結果表明，50 nm的聚苯乙烯微球能誘導洋蔥細胞毒性(降低有絲分裂指數(shù))、基因毒性(細胞遺傳異常和微核的誘導)和氧化損傷。Lian 等[18]研究表明，100 nm 聚苯乙烯塑料在低暴露濃度0.1 mg/L時能顯著促進小麥的生物量和葉綠素含量。Jiang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，100 nm的聚苯乙烯能夠干擾蠶豆生長過程中營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，并對作物產(chǎn)生遺傳毒性，實驗中觀測到100 nm聚苯乙烯微球?qū)πQ豆的生態(tài)毒性要高于5 μm的聚苯乙烯微球。以上研究表明，微塑料對植物生長具有一定的毒害作用，但微塑料對植物的毒性影響研究相對甚少，研究廣度和深度有待增強，而關于微塑料對酒用高粱品種“紅纓子”的生態(tài)毒性研究未見公開報道。

本研究以高粱品種“紅纓子”作為研究對象，考慮微塑料的生物毒性與粒徑和濃度密切相關，綜合微塑料對其他植物生長影響的研究成果，選取兩種粒徑(0.1 μm和5 μm) 的聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)，研究不同粒徑和濃度的PS-MPs對“紅纓子”種子發(fā)芽和幼苗生長的影響，旨在探討微塑料對該品種的毒性效應，為后期評估微塑料對植物的毒性效應及作用機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本試驗所用種子由仁懷市聚農(nóng)科技開發(fā)有限公司提供，挑選籽粒飽滿、質(zhì)量相近、無破損的籽粒進行試驗。

粒徑分別為0.1 μm和5 μm的PS-MPs懸濁液(250 mg/10 mL)，購于天津市倍思樂色譜技術開發(fā)中心。

1.2 儀器與設備

SBL-54 DT超聲波分散器：上海重逢科學儀器有限公司；LRH-250-Z恒溫培養(yǎng)箱：廣東省醫(yī)療器械廠；DHG-9140 A型干燥箱：常州潤華電器有限公司；MS-TS分析天平：梅特勒托利多科技(中國)有限公司；GDN-1000光照培養(yǎng)箱：寧波揚輝儀器有限公司。

1.3 方 法

1.3.1PS-MPs處理濃度的設置

將0.1 μm和5 μm的PS-MPs懸濁液分別稀釋為10、50、100、200、400、600 mg/L共6個濃度。在溶液配制過程中，原始懸濁液和配制的懸浮液取樣稀釋前后均需在超聲波分散器中超聲30 min進行混勻和分散。

1.3.2發(fā)芽試驗設計

不同粒徑的各濃度分別設置3個重復，對照組選用去離子水培養(yǎng)。選取顆粒均勻飽滿的種子，用3% H2O2浸泡消毒30 min，再用去離子水反復沖洗至少3次，以除去種子表面殘留的H2O2，然后分別取10 mL配置好的PS懸浮液加入墊有濾紙的玻璃培養(yǎng)皿中(直徑9 cm)，隨后將清洗干凈的種子整齊擺放于濾紙上，每皿15粒。

培養(yǎng)皿置于光照培養(yǎng)箱中，在光12 h/暗12 h條件下進行發(fā)芽試驗，溫度控制在(25±1)℃，培養(yǎng)8 d。培養(yǎng)過程中每天記錄高粱種子發(fā)芽情況，從第3天開始揭開培養(yǎng)皿蓋子并每天補充1～2 mL去離子水進行補充。

1.3.3測量指標及分析方法

每天09:00時記錄種子的發(fā)芽數(shù)量，待第8天用直尺測定高粱幼苗的芽長及根長，并將高粱幼苗置于103 ℃干燥箱內(nèi)烘干24 h，用天平稱重并記錄數(shù)據(jù)。按式(1)～(5)分別計算種子的發(fā)芽率(GR)、發(fā)芽指數(shù)(GI)、活力指數(shù)(VI)、發(fā)芽勢(RE)、平均發(fā)芽時間(MGS)和抑制率(IR)。

GR(%)=(b/n)×100%

(1)

GI=∑Gt/Dt

(2)

VI=GI×S

(3)

RE(%)=a/n×100%

(4)

MGS(d)=∑(Gt×Dt)/∑Gt

(5)

式中，a為4 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)；b為8 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)，n為供試種子總數(shù)；Dt為發(fā)芽日數(shù)；Gt為與Dt相對應的每日發(fā)芽種子數(shù)；S為平均幼苗干重(g/株)。

2 結果與分析

2.1 PS-MPs對試驗種子發(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)能力強弱的重要指標[20]。由圖1可知，粒徑0.1 μm和5 μm不同濃度的PS-MPs處理試驗種子均從第1天開始發(fā)芽，在1～5 d內(nèi)發(fā)芽率迅速增大，第5天后發(fā)芽率增長緩慢，8 d后其發(fā)芽率均低于對照(ck)。粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs處理，第1天發(fā)芽率最低，分別為55.6%(處理濃度100 mg/L)和66.2%(處理濃度10 mg/L)，5 μm PS-MPs 處理高濃度(400 mg/L和600 mg/L)時高于ck，無顯著性差異；第2天發(fā)芽率最低分別為75.6%(處理濃度10 mg/L、400 mg/L)和68.9%(處理濃度100 mg/L)，高濃度(600 mg/L)均高于ck，無顯著性差異；第3天至第8天，200 mg/L時的發(fā)芽率最低，不同時間不同濃度的發(fā)芽率均略低于ck，無顯著差異；第8天，0.1 μm和5 μm的PS-MPs處理種子的發(fā)芽率分別在84.4%～93.3%和80.0%～88.9%范圍內(nèi)，均低于ck的發(fā)芽率(95.6%)，差異不顯著。從整體上看，粒徑0.1 μm和5 μm PS-MPs處理高粱種子時，各個處理濃度對發(fā)芽率有不同程度的抑制作用但都不顯著，整體上對發(fā)芽率沒有影響。

注：A為粒徑0.1 μm的PS-MPs處理；B為粒徑5 μm的PS-MPs處理。 圖1 不同濃度PS-MPs對紅纓子高粱種子發(fā)芽率的影響 Fig.1 Effects of PS-MPs of different concentrations on the seed germination rate of Hongyinzi sorghum

由圖2可知，在PS-MPs同濃度條件下，粒徑0.1 μm PS-MPs處理的發(fā)芽率高于粒徑5 μm PS-MPs處理，無顯著差異。

圖2 不同濃度PS-MPs處理8 d對高粱種子發(fā)芽率的影響 Fig.2 Effects of PS-MPs of different concentration treatment for 8 days on the seed germination rate of sorghum

上述結果表明，粒徑0.1 μm和5 μm PS-MPs處理高粱種子，對發(fā)芽率有不同程度抑制作用，但無顯著差異，表明大部分高粱種子在PS-MPs影響下仍可萌發(fā)，PS-MPs處理對高粱種子的發(fā)芽沒有影響。

2.2 PS-MPs對紅纓子高粱種子活力指標的影響

2.2.1發(fā)芽指數(shù)

由表1可知，粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs處理時，發(fā)芽指數(shù)隨濃度變化無明顯變化，各處理濃度發(fā)芽指數(shù)總體上均低于ck，無顯著性差異；處理濃度100 mg/L時發(fā)芽指數(shù)最低，為29.6，與ck無顯著差異；其余處理濃度發(fā)芽指數(shù)與ck也無顯著差異。整體看，粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs處理時，對高粱種子的發(fā)芽指數(shù)沒有顯著影響。

2.2.2活力指數(shù)

由表1可知，粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs處理時，活力指數(shù)均沒有明顯的濃度變化趨勢。粒徑0.1 μm PS-MPs處理時活力指數(shù)總體略大于ck，100 mg/L和400 mg/L時活力指數(shù)最高，為2.13，與ck無顯著差異。粒徑5 μm PS-MPs處理時的活力指數(shù)總體略低于ck，無顯著差異。PS-MPs處理濃度相同時，粒徑0.1 μm的活力指數(shù)大于粒徑5 μm，表明高粱種子的活力指數(shù)隨著粒徑的增大而降低。

表1 PS-MPs對紅纓子高粱種子活力指標的影響Table 1 Effects of PS-MPs on the vigor of Hongyingzi sorghum seeds

從整體上看，PS-MPs處理高粱種子時，不同粒徑對活力指數(shù)的影響不同，0.1 μm表現(xiàn)為增強，5 μm表現(xiàn)為降低，隨著粒徑的增大，種子活力指數(shù)下降。

2.2.3發(fā)芽勢

發(fā)芽勢是鑒別種子發(fā)芽整齊度的主要指標，其數(shù)值越大，發(fā)芽勢越強。由表1可知，粒徑0.1 μm和5 μm PS-MPs處理時，高粱種子的發(fā)芽勢均無明顯變化，各處理種子發(fā)芽勢均低于ck，無顯著差異。同濃度不同粒徑的PS-MPs處理時，發(fā)芽勢隨粒徑的變化無明顯變化。從整體上看，粒徑0.1 μm和5 μm PS-MPs處理對高粱種子的發(fā)芽勢沒有影響。

2.2.4平均發(fā)芽時間

種子平均發(fā)芽時間是發(fā)芽速度的量度，其數(shù)值越小表明發(fā)芽越快。由表1可知，粒徑0.1 μm PS-MPs處理的高粱種子平均發(fā)芽時間大于粒徑5 μm PS-MPs處理。粒徑0.1 μm PS-MPs處理時隨著濃度的升高平均發(fā)芽時間呈先升后降趨勢，表現(xiàn)為低濃度延長，中高濃度縮短。10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L時平均發(fā)芽時間高于ck，200 mg/L、400 mg/L、600 mg/L時平均發(fā)芽時間低于ck，均無顯著差異；粒徑5 μm PS-MPs處理時，種子的平均發(fā)芽時間隨著濃度的升高而降低，400 mg/L、600 mg/L時平均發(fā)芽時間為1.13 d和1.05 d均小于ck，差異顯著(p<0.05)。表明粒徑0.1 μm PS-MPs低濃度延長平均發(fā)芽時間，高濃度縮短平均發(fā)芽時間；5 μm PS-MPs可顯著縮短平均發(fā)芽時間。

綜上所述，PS-MPs對高粱種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢和平均發(fā)芽時間影響表現(xiàn)不同，其對于種子活力的影響是各方面綜合原因的結果，盡管5 μm PS-MPs在高濃度可顯著縮短平均發(fā)芽時間，結合高粱種子第1天的發(fā)芽率為55.6%～77.8%和最終發(fā)芽率80.0%～93.3%，且各粒徑處理濃度之間的發(fā)芽率與對照(ck)無顯著性差異，試驗結果說明PS-MPs對高粱種子的活力影響不大。

2.3 PS-MPs對高粱根長、芽長和幼苗生物量的影響

2.3.1根 長

由表2可知，粒徑0.1 μm PS-MPs處理時，高粱根長在10 mg/L時略低于ck，但無顯著差異，其余處理濃度均高于ck，50 mg/L(p<0.05)、100 mg/L(p<0.05)、200 mg/L(p<0.01)時顯著促進高粱根的生長，促增長作用總體表現(xiàn)為，隨著濃度的變化先升后降，200 mg/L時高粱根長最長，為5.68 cm，表明粒徑0.1 μm PS-MPs對高粱根長有顯著促進作用。粒徑5 μm PS-MPs處理時，高粱根長無明顯的變化趨勢，比ck組根長略微降低但較為接近，600 mg/L根長最短為1.54 cm，無顯著差異，表明粒徑5 μm PS-MPs處理對紅纓子高粱根長的增長有輕微的抑制作用。

表2 PS-MPs對高粱根長、芽長和幼苗生物量的影響Table 2 Effects of PS-MPs on root length,buds length,biological amount the vigor of sorghum seeds

粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同濃度處理時，0.1 μm處理的高粱根長總體均大于5 μm處理，50～600 mg/L處理濃度均存在顯著差異，表明隨著粒徑增大，對高粱根長增長表現(xiàn)為顯著抑制作用。

2.3.2芽 長

粒徑0.1 μm PS-MPs處理時，高粱芽長均高于ck，在50 mg/L(p<0.05)、100 mg/L(p<0.01)、200 mg/L(p<0.05)時顯著促進高粱芽長的增長，促增長作用總體表現(xiàn)為隨著濃度的變化先升后降，100 mg/L時高粱芽長最長，為5.93 cm，表明0.1 μm PS-MPs對高粱芽長增長有顯著促進作用。粒徑5 μm的PS-MPs處理時，高粱芽長與ck無顯著差異，也無明顯的濃度變化趨勢。400 mg/L時芽長為最小值(3.93 cm)，小于ck，50 mg/L時芽長最大值(5.01 cm)，大于ck，均無顯著差異，表明粒徑5 μm PS-MPs處理對芽長的增長影響不大。

粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同濃度處理時，0.1 μm處理高粱芽長總體均大于粒徑5 μm處理，100 mg/L時存在顯著性差異，表明隨著粒徑的增大，對高粱芽長增長表現(xiàn)為顯著抑制作用。

2.3.3幼苗生物量

粒徑0.1 μm PS-MPs處理時，紅纓子高粱幼苗生物量均高于ck，無顯著差異。5 μm PS-MPs處理時，紅纓子高粱幼苗生物量均低于ck，幼苗生物量變化較小，無顯著性差異。粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同濃度處理時，粒徑0.1 μm處理的紅纓子高粱幼苗生物量總體均大于5 μm處理，表明隨著粒徑的增大，對紅纓子高粱幼苗生物量增長表現(xiàn)為抑制作用。綜合表明，不同濃度不同粒徑的PS-MPs處理，對紅纓子高粱幼苗生物量無顯著影響。

3 討 論

3.1 PS-MPs對紅纓子高粱種子萌發(fā)的影響

本研究表明，紅纓子高粱種子經(jīng)粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同濃度處理后，其發(fā)芽率與ck無顯著差異。對種子活力指標影響表現(xiàn)不盡相同，總體表現(xiàn)為粒徑0.1 μm處理的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢高于粒徑5 μm，無顯著性差異，但平均發(fā)芽時間表現(xiàn)為隨著粒徑和濃度的增大而縮短，粒徑5 μm處理下，在高濃度(400、600 mg/L)時有顯著促進作用，其他與ck無顯著差異。從整體來看，PS-MPs處理對紅纓子高粱種子的萌發(fā)無顯著影響。王偉等[21]研究表明，納米材料(氧化石墨烯)對紫花苜蓿種子萌發(fā)率影響較小，和ck差異不顯著；Bosker等[22]研究表明，在暴露24 h后，50、500、4 800 nm的3種粒徑的微塑料對水芹的發(fā)芽率沒有影響；趙夢賽[23]研究表明，在不同濃度的納米塑料處理下，對水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)等沒有顯著影響，本研究結果與之相似。FOOLAD等[24]研究認為，一些植物具有特殊的耐脅迫基因，使種子在一定的環(huán)境脅迫下萌發(fā)速率維持穩(wěn)定甚至變快。本研究發(fā)現(xiàn)，PS-MPs處理下，紅纓子高粱種子的發(fā)芽率最終沒有明顯變化，說明其可能對PS-MPs具有一定的耐脅迫性。

3.2 PS-MPs對紅纓子高粱根長、芽長和幼苗生物量的影響

粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同濃度處理后，對紅纓子高粱根長、芽長和幼苗生物量影響不同。本研究發(fā)現(xiàn)，粒徑0.1 μm PS-MPs處理對紅纓子高粱根長、芽長生長有顯著的促進作用，根長、芽長總體表現(xiàn)為隨著濃度的變化為先升后降；粒徑5 μm PS-MPs處理時根長、芽長與ck無顯著差異，隨濃度變化趨勢不明顯。PS-MPs處理后紅纓子高粱幼苗生物量與ck無顯著差異，幼苗生物量隨著粒徑的增大而減小，0.1 μm PS-MPs處理后其幼苗的干重均高于ck。原因可能是在PS-MPs處理下，紅纓子高粱種子內(nèi)部受到一定的刺激，激活了種子細胞中某些(種)酶的活性，從而刺激其營養(yǎng)生長；或是PS-MPs對種子來說是一種物理脅迫，顆粒越小，越容易聚集在種子、根系表皮從而堵塞孔隙，使其根部物質(zhì)吸收受到阻塞，抑制了根部的吸收性能，不利于種子進行呼吸作用，導致種子作出應激反應，刺激根系生長，擴大根部的接觸面積[25]；或Hong等[26]研究發(fā)現(xiàn)，納米TiO2能提高葉綠體類囊體膜上Mg2+-ATPase 的活性，因此，推測粒徑0.1 μm PS-MPs能夠作用于植物的光系統(tǒng)促進植物生長；劉頓等[27]研究表明，納米材料(氧化石墨烯)濃度在50～200 mg/L范圍內(nèi)時，對紫穗槐種子的幼苗生長有明顯的促進作用；本研究結果與之相似，雖納米材料(氧化石墨烯)與微(納)米塑料性質(zhì)有所區(qū)別，考慮同為微(納)米顆粒，兩者存在一定的共性。Alimi等[28]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料極易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，形成尺寸較大的團聚體，阻礙植物對其的吸收，且比表面積的降低也減少了種子與微塑料之間的接觸面積，這或許是PS-MPs處理紅纓子高粱種子萌發(fā)后根長、芽長隨著濃度的變化先升后降的原因。

4 結 論

粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同濃度處理，最終發(fā)芽率為80.0%～93.3%，對高粱種子的萌發(fā)無影響。對活力指標發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢、平均發(fā)芽影響不同，總體表現(xiàn)為粒徑0.1 μm處理的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢高于粒徑5 μm，無顯著性差異，但平均發(fā)芽時間表現(xiàn)為隨著粒徑和濃度的增大而縮短，粒徑5 μm高濃度400 mg/L和600 mg/L時可顯著縮短發(fā)芽時間，但這種影響較為短暫，總體表現(xiàn)為對高粱種子的活力影響不明顯。

粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs對高粱根長和芽長的生長總體表現(xiàn)為隨著濃度的變化先升后降，0.1 μm的PS-MPs處理后能顯著促進根與芽生長，高濃度由于團聚的原因?qū)Ω吡桓档拇碳ば獪p弱。粒徑0.1 μm 和5 μm PS-MPs對高粱幼苗生物量影響不明顯，0.1 μm PS-MPs處理后其幼苗生物量高于ck和5 μm PS-MPs處理。