微塑料和氟磺胺草醚及其复合污染物对玉米幼苗生长的影响

崔 宁，郭占斌，刘 晶

（西安外事学院医学院，西安 710077）

自20 世纪40 年代塑料进入人类生活以来，全球产量已从1950 年的约50 万t 大幅增加到2018 年的3.5 亿t［1，2］。废弃的大块塑料经过氧化、太阳辐射、水浸等过程被分解为小块，通常将直径小于5 mm 的塑料碎片称为微塑料（Microplastics，MPs）［3］。MPs作为一种新型污染物已引起了广泛的关注。研究表明，MPs 进入生物体后会引发机械损伤、神经毒性、细胞毒性、氧化应激损伤、基因毒性等毒理效应，甚至会导致死亡［4-7］。MPs可作为其他污染物的载体，包括抗生素、农药、重金属等，对生态系统构成潜在风险［8-10］。

目前关于MPs 的研究主要集中于海洋、潮滩等水生生态系统。相较于水域系统，陆地系统尤其是农业系统中MPs 的研究相对较少［11］。农田中塑料地膜、污水灌溉、大气沉降等途径导致大田中残留的MPs 远高于海洋。据估计，土壤中MPs 的含量可能是水域系统的4～23 倍［12，13］。滞留在大田中的MPs可降低土壤微生物活性和功能多样性，同时还影响营养元素循环，从而间接影响作物种子的发芽及幼苗生长。李连祯等［14］通过激光扫描共聚焦荧光显微镜和扫描电子显微镜发现，生菜根部可富集和吸收大量聚苯乙烯MPs（粒径＜0.2 μm）。刘蓥蓥等［15］研究表明，聚乙烯对绿豆植株的毒性与粒径及浓度相关，粒径越小、浓度越高，引发的毒性就越大。此外，MPs 对小麦（Triticum aestivumL.）、大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）、洋葱（Allium cepa）、水稻（Oryza sativaL.）、水芹（Lepidium sativum）等植株的发芽与生长造成一定的影响［16-18］。

除了MPs 污染外，农田土壤还存在农药污染。氟磺胺草醚是一种常见的长残留除草剂，因其高效、低毒、半衰期长等特点，其在连作土壤中会不断累积，从而干扰后茬作物的生长。当土壤中氟磺胺草醚残留量超过0.2 mg/kg 时，会显著降低玉米根系活力，导致其光合速率下降、生长受到抑制［19，20］。

聚氯乙烯（PVC）是中国塑料大棚、日光温室等常用的保温保湿农膜。滞留在大田中的PVC 膜老化会分解成粒径较小的MPs。有关氟磺胺草醚对后茬敏感作物的影响已有较多报道，但针对MPs 和氟磺胺草醚复合污染物对植物生长发育的影响尚未见报道。本研究以玉米（Zea maysL.）为供试植物，以氟磺胺草醚和PVC 为研究对象，探究单一及复合污染物对玉米幼苗生长的影响，旨在探究大田土壤中MPs和农药复合污染物对农作物的生态毒理效应。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米为华耐种业黑甜糯631 玉米；氟磺胺草醚（＞99.5%），购自德国Dr.Ehrenstorfer GmbH 公司；聚氯乙烯粉（1 000 目，粒径为13 μm），购自于东莞市晴天塑料原料公司，使用前过900 目和1 200 目的筛网，以确保粒径均一；石英砂购自于铭海环保石英砂厂，粒径介于70～120 μm。

1.2 微塑料表征

傅里叶红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR；型号IRAffinity-1，日本岛津）辨识PVC 表面官能团。光谱范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为20 次，分辨率为4 cm-1；采用扫描电镜（Scanning electron microscope，SEM；型号Hitachi 日立S-4800）观察MPs 颗粒的表面结构和微观形貌；粒径分布采用激光粒度分析仪（型号LS-909，中国OME 仪器有限公司）测定，使用纳米粒度电位分析仪（Nicomp Z3000，美国）测定pH 介于3～9 时PVC 的表面电位。

1.3 植物培养

选取均一饱满的玉米种子，在10%次氯酸钠溶液中震荡清洗30 min，去离子水反复冲洗并浸泡6 h，最后放于吸水纸上沥干备用。

单一污染试验：PVC 的添加量以大田土壤农膜残留量151 kg/hm2为标准［17］，换算成盆栽添加量为54 mg/kg，同时根据预试验的结果，最终选取的微塑料添加量分别为540（10 倍残留量）、1 620（30 倍）、2 700（50 倍）及5 400（100 倍）mg/kg；预试验发现氟磺胺草醚添加量大于1 mg/kg 时，玉米植株死亡，故本次试验氟磺胺草醚的添加量分别为0.2、0.4、0.6 和0.8 mg/kg［20］。

复合污染试验：基于上述单一污染试验结果，分别添加PVC（540、1 620 mg/kg）和氟磺胺草醚（0.2、0.4 mg/kg）。

本试验选取的供试植物培养基质为石英砂［21］。使用前测定石英砂的饱和含水量，试验时，按照石英砂饱和含水量的70%添加去离子水。按照上述单一污染试验及复合污染试验中的添加量向石英砂中加入PVC 或农药，混合均匀后，将混合物放入50 mL塑料杯中。每个处理设置6 组平行，每个平行3 粒种子。使用保鲜膜将塑料杯密封后，放入光照培养箱（型号MGC-300A，上海一恒）中培养。光照16 h、黑暗8 h；昼、夜温度分别为27、23 ℃；湿度为75%；光合有效辐射为300 μmol（/m2·s）。从第3 天开始每日补充去离子水补偿蒸发水分，培养7 d 后，测定理化指标。

1.4 理化指标测定

收获后，用游标卡尺测定苗长、根长。参考廖苑辰等［22］方法提取叶绿素a 和叶绿素b。称取200 mg的玉米幼苗叶片，液氮研磨后加入25 mL 80%丙酮，离心取上清（4 800 r/min，10 min）。提取的试液用酶标仪测定663 nm 和645 nm 波长下的吸光值，色素含量计算公式如下：

式中，Chla和Chlb分别表示叶绿素a 和叶绿素b的浓度（mg/L）；A663和A645分别为对应波长的吸光值。

1.5 数据统计与分析

采用Origin 2018 软件作图。使用SPSS 23.0 软件进行单因素方差分析。

2 结果分析

2.1 微塑料表征

由图1a 可知，PVC 的红外光谱中616 cm-1处的特征峰对应C-Cl 的伸缩振动，1 400～1 500 cm-1处的峰对应C-H/C-C 的伸缩振动；2 925 cm-1处的峰对应-CH、-CH2和-CH3等脂肪族结构的C-H 伸缩振动［23］，与岛津傅里叶红外常规谱库比对后，确定为PVC。图1b 为PVC 的扫描电镜图，从图中可以发现PVC 表面存在明显褶皱，存在若干微孔。图1c 为PVC 粒径分布图，PVC 粒径主要分布在8～16 μm，粒径大小符合要求；图1d 为PVC 的Zeta 电位图，显示PVC 的电位随着pH 的增加而降低。在pH 为3～9时，PVC 的电位变化范围为-20.03～-3.81 mV，PVC均带负电。

图1 微塑料PVC 表征

2.2 污染物对玉米幼苗生长的影响

2.2.1 微塑料对玉米幼苗生长的影响 由图2 可知，玉米幼苗株高和根长均随PVC 浓度的升高而下降。当PVC 添加量为540 mg/kg 时，玉米的株高、根长与空白组相比差异不明显；当PVC 的添加浓度达到1 620 和2 700 mg/kg 时，玉米的株高和根长与空白组之间存在显著差异（P＜0.05）；当浓度升高至5 400 mg/kg 时，玉米的株高和根长与空白组之间存在极显著差异（P＜0.01），这说明高浓度的PVC 会抑制玉米幼苗的生长。

图2 PVC 残留对玉米株高、根长的影响

2.2.2 氟磺胺草醚对玉米幼苗生长的影响 不同浓度氟磺胺草醚处理后，玉米的株高和根长受到较大的抑制。由图3a 可知，随着氟磺胺草醚浓度的升高，玉米幼苗生长发育受到的抑制作用越明显，玉米幼苗部分叶片出现卷曲枯黄、初生根以及次生根等变短的情况。由图3b 可知，当氟磺胺草醚残留浓度从0 增加到0.8 mg/kg 时，玉米的株高由3.97 cm 降至1.12 cm，根长由5.72 cm 下降至1.19 cm。当氟磺胺草醚残留浓度为0.8 mg/kg 时，对玉米株高和根长的抑制效果最明显。

图3 氟磺胺草醚残留对玉米株高和根长影响

2.2.3 复合污染物对玉米幼苗生长的影响 结合图2、图3 和图4 可知，PVC 和氟磺胺草醚复合污染物对玉米植株的生长的抑制程度比单一污染物更强。当氟磺胺草醚残留量为0.2 mg/kg 时，微塑料添加量为540、1 620 mg/kg 的玉米株高分别为2.66、2.29 cm，根长分别为4.45、3.75 cm。当氟磺胺草醚残留量为0.4 mg/kg时，微塑料添加量为540、1 620 mg/kg的玉米株高分别为2.20、1.27 cm，根长分别为3.66、4.06 cm。

图4 氟磺胺草醚残留对玉米株高和根长影响

相较于单一污染物胁迫，PVC 和氟磺胺草醚的复合效应对玉米幼苗生长的抑制表现为协同作用。研究表明，MPs 可以通过吸附作用富集有机污染物［8，9］，MPs 与农药联合作用于植物体时，会通过增加摄入浓度、加剧组织损伤和降低机体抗性等方式增强农药对植物的毒性效应［24］，从而抑制植株生长。

2.3 污染物对玉米光合色素的影响

叶绿素直接参与植物的光合作用，高等作物的叶绿素主要为叶绿素a 和叶绿素b，其含量的多少可以反映出植物光合能力的强弱。由图5a、5b 可知，与对照组相比，单一污染物PVC 存在时叶绿素a 的含量无显著变化。与对照组相比，单一污染物氟磺胺草醚会显著降低玉米幼苗叶绿素含量，当其浓度从0 升至0.8 mg/kg 时，叶绿素a（叶绿素b）的含量从2.45 mg/g（0.96 mg/g）降至1.08 mg/g（0.19 mg/g），这表明高浓度的氟磺胺草醚会严重损伤玉米光合系统，会对植物叶片产生明显的毒害效应。复合污染组中，当氟磺胺草醚添加量为0.2 mg/kg，微塑料添加量为540 或1 620 mg/kg 时，叶绿素a 的含量分别为2.01、1.89 mg，经统计学分析，复合污染组与单一氟磺胺草醚处理组间无显著性差异。

图5 玉米叶片光合色素含量变化

3 讨论

目前，有关MPs 的研究主要集中在海洋、湖泊等水生生态系统以及MPs对水生生物如藻类、鱼类、贝类等毒理学效应研究，而农业生态系统中微塑料-农药复合污染物和作物相互作用的研究极少，MPs对作物的作用机制仍不清楚［11］。Khorram 等［20］研究发现，当氟磺胺草醚浓度高于0.2 mg/kg 时，玉米幼苗的株高和湿重随着农药浓度的升高而显著下降，部分叶片卷曲，根长变短、根系活力显著降低。当浓度高于1 mg/kg 时，植株死亡。白杰等［19］研究发现，氟磺胺草醚可抑制玉米原卟啉原氧化酶活性，产生较高水平单态氧和毒性氧基，破坏细胞膜，导致膜渗漏，进而对玉米植株产生毒害作用。本研究表明，氟磺胺草醚对玉米幼苗的生长表现为显著的抑制作用，随着浓度的升高，株高、根长及叶绿素的等各项指标均呈下降的趋势，与前人研究结果一致［17-19］。

本研究发现，低浓度的PVC（540 mg/kg）对玉米幼苗的生长影响不大，幼苗的株高、根长和叶绿素含量与空白对照组相比无显著差异；当PVC 浓度高于1 620 mg/kg 时，对玉米幼苗的生长起抑制作用，且抑制作用随着PVC 浓度的升高而增大，这与Kalčiková 等［25］研究结果一致。抑制作用可能是由于吸附在玉米种子或根部细胞壁孔洞，扰乱种子或根系正常的营养吸收与运输，PVC 与玉米的作用机制需进一步探究。廖苑辰等［22］研究了聚苯乙烯对小苗生长及生理生化特性的影响，指出MPs 的毒理效应与粒径和浓度密切相关，粒径越小、浓度越高，其对作物的影响越强，中低浓度下粒径较小，比表面积增大，更有利于水稻对微塑料的吸附［26］。当浓度较高时，则容易发生团聚现象，导致有效微塑料浓度降低，抑制效应减弱。本研究中，微塑料浓度较高时，对玉米幼苗生长表现出较强的抑制作用。与微塑料相比，氟磺胺草醚对玉米幼苗生长影响更明显。

微塑料-农药复合污染试验结果发现，复合污染物对玉米幼苗生长的抑制表现出了协同的作用，复合组的抑制率高于单一微塑料或单一氟磺胺草醚组，两者复合对玉米幼苗的生长毒性更大。微塑料通过吸附环境中的氟磺胺草醚，造成局部农药浓度较高，增强了污染物对植物的毒性效应；此外，微塑料也可通过降低污染物接触浓度或共污染物的生物可利用性来减缓对植物的毒理效应［18］。

大田土壤中存在重金属、农药、微塑料等各种不同污染物，它们之间存在复杂的交互作用。环境条件也变化多样，微塑料和污染物的复合作用还需要进一步考虑温度、离子强度、污染物的化学性质（pKa、LogKow等）及微塑料的理化性质（粒径大小、表面形态、浓度、老化程度等）。此外，微塑料与农药的联合毒性效应和作用机制尚不清晰，还需要做进一步的研究。

4 结论

1）在本试验处理浓度范围内，单一微塑料PVC处理组可显著降低玉米幼苗株高和根长；单一氟磺胺草醚处理组对玉米株高和根长表现出抑制作用。

2）与单一微塑料或氟磺胺草醚相比，复合组对玉米幼苗株高和根长的抑制表现为协同作用。

3）单一微塑料组对玉米幼苗的叶绿素a 含量无显著影响；单一农药组可显著降低叶绿素含量；复合污染物对玉米叶绿素的含量的影响与单一农药组之间无显著性差异。