聚乙烯微塑料对绿豆发芽的毒性研究

刘蓥蓥 张旗 崔文智 段志伟 王发园

摘要：近年来，微塑料污染成为全球高度关注的环境问题。但是多数研究是针对海洋生态系统进行的，微塑料对陆地生态系统的影响，尤其是其植物效应尙缺乏认识。本试验研究了不同粒径（0.55-0.88、0.106-0.15、0.023-0.038 mm）、不同浓度（0.1、1、10、100 mg/g）的聚乙烯微塑料对绿豆发芽的影响。结果发现，所有微塑料处理均没有显著降低绿豆的发芽率。粒径在0.55-0.8、0.106-0.15 mm的微塑料在所設暴露浓度下对芽长、根长、鲜重、干重均没有显示出抑制作用，甚至在一定浓度时有刺激作用。0.023mm-0.038 mm的微塑料，尤其是暴露浓度为100 mg/g时，对绿豆幼苗的生长和水分吸收表现出显著抑制作用。微塑料影响植物水分吸收可能是其中的一个毒性机制。综上，聚乙烯微塑料的植物毒性与粒径和浓度密切相关，粒径越小、浓度越高，其植物毒性可能越强。

关键词：聚乙烯微塑料;绿豆;发芽;含水率;植物毒性

中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：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

塑料制品的广泛使用可能会对环境造成危害。大块的塑料经风吹日晒等一系列物理化学反应，会逐渐风化、破碎成粒径更小的微塑料。微塑料这一概念是在2004年由Thompson等[1]首次提出，通常被认为粒径小于5mm的塑料颗粒或碎片。有研究发现微塑料广泛分布于海洋和陆地生态系统中[2-7]，尤其是微塑料可以进入食物链[8]，可能直接对生物体和人类健康产生威胁。

土壤系统是陆地上微塑料的“储存库”。据估计，每年释放到陆地上的微塑料是海洋中的4-23倍[9]。微塑料可以通过污泥施用、大气沉降、农膜降解、垃圾处理等多种途径进入土壤[10]，包括农田在内的多数陆地环境中均发现有微塑料存在[6]。我国是地膜使用量最大的国家，地膜在土壤中随风化作用等逐渐破碎，最终可能以微塑料的形式残留在土壤中。微塑料对土壤生态系统尤其是农作物的影响值得重视。

塑料具有疏水性，残膜会影响土壤吸湿性等理化性质，还会阻碍植物根系从土壤中吸收水分，抑制土壤中微生物的活动。体积小、比表面积大的微塑料对土壤和植物的危害则可能更大，很可能对种子萌发、根系生长等产生负面作用。有研究发现，微塑料可能被植物吸收。43nm的聚苯乙烯微球可以通过气孔途径进入蚕豆叶片内[11]。李连祯等[12]利用溶液培养试验首次证实，聚苯乙烯微球（0.2μm）可被生菜根部大量吸收和富集，并从根部迁移到地上部分，积累和分布在可被直接食用的茎叶之中。即使不被植物吸收，微塑料也可能影响植物生长。利用土壤盆栽试验发现1%的微塑料对小麦生长有显著负面作用，尤其是生物可降解塑料比PE表现出更强烈的抑制作用[13]。显然，微塑料对陆生植物尤其是农作物的生物效应研究急需更多探讨。

本研究假设微塑料能够对植物产生毒性效应，但是可能与粒径与暴露浓度有关。为此，通过研究不同粒径和暴露浓度聚乙烯微塑料对绿豆发芽的研究，旨在探讨微塑料对植物发芽的影响及可能的机制，为深入研究微塑料对农田生态系统的影响尤其是对植物的生物效应提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

微塑料材质为高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），购自东明塑化公司。密度在0.940-0.976g/cm3范围内，结晶度为80%-90%，软化点为125-135℃。微塑料经手工过筛，分成0.55-0.88mm、0.106-0.15mm、0.023-0.038mm等3个不同的粒径范围。微塑料经0.1M稀盐酸、去离子水清洗，风干后后备用。供试绿豆（Vigna radiata）种子购于青岛当地超市，用次氯酸钠溶液消毒，蒸馏水冲洗干净，挑选籽粒饱满、大小均等的种子备用。培养基质选用石英砂，粒径为0.5-1mm，用0.1M稀盐酸、去离子水清洗后备用。

1.2 发芽试验

选用9cm玻璃培养皿，每个培养皿装90g石英砂，播种10粒种子。选用3个粒径的微塑料，浓度设置为0.1、1、10、100mg/g共计4个水平，同时设置不添加微塑料的对照，均重复4次。将培养皿放置于培养箱中，恒温25℃，黑暗培养5d。种子播种后向培养皿中加入20mL蒸馏水，第2天开始每天早晚两次向培养皿中加入5mL蒸馏水，清点并记录发芽种子数（当芽长超过种子一半时，视为发芽）。培养结束后测定发芽率。将幼苗分为地上部分和地下部分，分别测其长度、鲜重。将测完鲜重的样品于烘箱中烘干至恒重，记录其干重。其中，发芽率=发芽数/种子总数×100%。含水率=（鲜重-干重）/鲜重）×100%。

1.3 数据分析

使用Excel、Origin2017软件对数据进行统计分析。利用Duncan多重比较进行单因素方差分析（P<0.05）。

2 结果

2.1 发芽率

与对照相比，添加所有粒径和浓度的聚乙烯微塑料均没有对绿豆发芽率产生显著影响（图1）。但是粒径0.023-0.038 mm的微塑料在浓度10、100 mg/g时的发芽率低于1 mg/g时的发芽率。

2.2 根长、芽长

与对照相比，高浓度（100mg/g）的微塑料显著影响绿豆的根长（图2a），粒径0.023-0.038mm的微塑料表现出显著抑制作用，而其他粒径的微塑料表现出刺激作用。对于芽长，只有小粒径（0.023-0.038mm）、高濃度（100mg/g）的微塑料显示出显著抑制作用（图2b），其他绝大多数处理促进芽的伸长或没有显著影响。

2.3 鲜重、干重

与对照相比，只有小粒径（0.023-0.038mm）、高浓度（100mg/g）的微塑料显著降低鲜重（图3a），其他处理均没有显著影响。对于干重，0.023-0.038mm的微塑料在所有浓度下均降低干重（图3b），且各个浓度之间差异不显著;而0.55-0.88mm、0.106-0.15mm的微塑料在绝大多数处理中没有显著影响干重（0.55-0.88mm、10mg/g除外）。

聚乙烯微塑料对绿豆幼苗的干重影响不大，最小粒径、最大浓度实验组的鲜重却显著减小，说明此组幼苗的水分含量显著减少。

2.4 含水率

与对照相比，只有小粒径（0.023-0.038mm）的微塑料且在高浓度（100mg/g）时显著降低含水率（图4），其他处理增加了含水率或没有显著影响。

3 讨论

本试验表明，聚乙烯微塑料对绿豆种子的发芽率没有产生显著影响。较大粒径（0.55-0.88mm、0.106-0.15mm）的聚乙烯微塑料对绿豆幼苗的生长发育也没有显著抑制作用，甚至在某些浓度时还增加了芽长和根长，但当其粒径到达0.023-0.038mm时，对幼苗生长表现出明显的毒性效应，尤其是在高浓度时，显著降低干重、鲜重、根长和芽长。同时发现，小粒径高浓度的微塑料显著降低了幼苗的含水率。这证实了粒径是影响微塑料生物效应的重要因素。微塑料具有疏水性且密度小，其粒径变小时比表面积会增大，更容易附着于绿豆种子的根部或种子表面，抑制水分吸收，同时影响绿豆的呼吸作用，进而影响了根、芽的生长发育。这可能是微塑料的一个毒性机制。

通过水培试验证实，200nm的聚苯乙烯微塑料能够被生菜根部大量吸收和富集， 并从根部迁移到地上部，积累和分布在茎叶之[12]。这说明微塑料在足够小时可能透过细胞壁、细胞膜等屏障，进入细胞内部，引起氧化胁迫，改变养分、水分的吸收和运输，影响植物的正常生长发育。本研究中，微塑料粒径较大，进入植物内部的可能性不大，在植物表面的附着作用很可能是其产生影响的主要途径。

根据农业部统计，我国2016年地膜使用量146.80万吨，地膜覆盖面积超过1840.1万公顷，而农膜的回收率较低。农田中的残膜会逐渐老化、破碎，并在土壤中积累。随着尺寸的变小和浓度的增加，很可能吸附在根系表面或被植物吸收，影响作物的水分、养分状况和生长发育。更为重要的是，微塑料吸附性强，被认为是PAHs、农药、重金属等污染物的载体[14-19]，间接影响作物种子发芽、根系生长和吸收作用。微塑料的生物效应及其机制尚需进一步探讨。

参考文献

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收稿日期：2019-04-03

作者简介：刘蓥蓥（1990-），女，本科生，研究方向为环境毒理学。

通讯作者：王发园（1975-），男，博士，教授，研究方向为环境生物修复。