不同粒径聚氯乙烯微塑料对玉米种子发芽和幼苗生长的影响

刘静 王培

不同粒径聚氯乙烯微塑料对玉米种子发芽和幼苗生长的影响

刘静 王培

（西安外事学院医学院 陕西西安 710077）

为了研究微塑料对大田作物的生态毒理效应，选取了3种不同粒径（75、2和0.1 μm）聚氯乙烯（PVC）微塑料4个浓度梯度（540、1 620、2 700和5 400 mg/kg），探讨其对玉米（L.）种子发芽和幼苗生长的影响。结果表明，3种粒径微塑料对玉米种子的发芽率均存在一定的抑制作用，其中2 μm粒径对发芽率的抑制作用最大，发芽率33%～78%，且随着浓度的升高，发芽率呈现“先降后升”的趋势；3种粒径PVC对株高、根长的影响整体均表现出抑制作用，抑制率分别为20.5%～73.6%（株高）、1.5%～39.7%（根长），与发芽率结果一致；2 μm粒径PVC对株高和根长的影响最大，且与浓度呈正相关关系，叶绿素结果与此一致。综上，PVC的植物毒性与粒径和浓度密切相关，在中粒径、中高浓度时，其对玉米幼苗生长的毒害作用最大。

微塑料；聚氯乙烯；玉米；种子发芽；幼苗生长

微塑料（Microplastic，MPs）是一种粒径小于5 mm的塑料颗粒[1]，目前已成为全球性新型环境污染物。自2004年在海洋环境中发现该物质后，陆续在陆地、大气环境中也检测出微塑料残留。塑料本身化学稳定性高，极难降解，环境中残留持久，给生态系统带来了严重威胁[2]。因此微塑料作为一种新型的污染物已引起极大的关注。

与大颗粒微塑料相比，MPs粒径较小，极易被生物摄取，在生物体内蓄积，并通过食物链最终危害人类健康。Li等[3]检测了中国海鲜市场中常见的9种市售双贝类动物，结果表明所有检测贝类中均可检测出微塑料，其中纤维占比一半以上。目前，对MPs毒理研究大多集中在水域系统，土壤生态系统研究较少。相关研究表明，土壤生态环境系统是微塑料的主要储存地[4]，农用塑料地膜残留、污泥利用、有机肥施用、地表径流、再生水灌溉、大气沉降以及塑料垃圾填埋等[5-7]途径导致大田中残留的微塑料远高于海洋。残留在土壤中的微塑料可降低土壤生物活性、营养元素循环，从而延缓种子萌发、影响作物种子的发芽及幼苗生长，并对植物产生生态毒性和遗传毒性[8-9]。

聚氯乙烯（PVC）是我国塑料大棚、日光温室等常用的保温保湿农膜。大量残留PVC膜老化分解成粒径较小的微塑料。本研究选择PVC为研究对象，以我国重要的作物之一玉米（L.）为供试植物，探究不同粒径PVC微塑料对玉米发芽、幼苗生长的影响，旨在探究大田土壤中微塑料对农作物的生态毒理效应，为了解微塑料对植物的风险评价提供科学依据

1 材料与方法

1.1 材料

供试玉米为华耐种业黑甜糯631玉米；聚氯乙烯粉（粒径分别为75、2和0.1 μm）购自于东莞市晴天塑料原料公司；石英砂购自于铭海环保石英砂长，粒径70～120 μm。

1.2 方法

1.2.1 微塑料鉴定 傅里叶红外光谱仪（Fourier Transform infrared spectroscopy，FTIR；IRAffinity-1，日本岛津）辨识PVC表面官能团。光谱为400～4 000 cm‒1，扫描次数20次，分辨率4；粒径分布采用激光粒度分析仪(LS-909，中国 OMEC仪器有限公司)测定。

1.2.2 试验设计 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，去离子水冲洗并浸泡6 h，放在吸水纸上备用。

PVC按照粒径的大小设置为3组试验组，分别为大粒径组（75 μm）、中粒径组（2 μm）以及小粒径组（0.1 μm）。PVC的添加量以大田土壤农膜残留量151 kg/hm2为标准[2]，换算成盆栽添加量为54 mg/kg，同时根据预试验的结果，每组选取的微塑料添加量分别为540（10倍残留量）、1 620（20倍）、2 700（50倍）及5 400（100倍）mg/kg。

试验所用培养基质为石英砂[10]，使用前测定石英砂的饱和含水量。种植玉米前，按照石英砂饱和含水量的70%添加去离子水。按照上述微塑料添加浓度向石英砂中加入PVC，充分混合后，将混合物放入50 mL塑料杯中。每个浓度设置6组平行，每个平行3粒种子。使用保鲜膜将塑料杯密封，用注射器在保鲜膜上戳出小孔，用于气体交换。放入光照培养箱（MGC-300A，上海一恒）中培养。光周期为16/8 h（昼/夜）、温度为27/23℃（昼/夜）、湿度为75%、光合有效辐射（PAR）为300 μmol/m2/s。从第3天开始每日补充去离子水以补偿蒸发水分，测定系列理化指标。空白对照组不添加微塑料，其余操作与试验组一致。

1.2.3 植株指标测定 培养3 d后，第4天观察玉米种子的发芽情况，统计不同试验组发芽率（发芽以种子胚根长度达到种子长度的1/2为标准）；第8天，用游标卡尺测定苗长、根长。

1.2.4 理化指标测定 第8天收获，然后用游标卡尺测定苗长、根长。叶绿素a和叶绿素b提取方法主要参考廖苑辰等[11]。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（Victor Nivo，PerkinElmer，USA）测定663和645 nm波长下的吸光值，采用如下公式计算色素含量：

=12.21×663‒ 2.81×645（1）

=20.13×645– 5.03×663（2）

其中，和分别表示叶绿素a和叶绿素b的浓度（mg/L）；663和645分别为对应波长的吸光值。

1.2.5 数据处理与分析 试验数据均以（平均值±标准差）格式表示。Origin 2018作图、SPSS 23.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）进行单因素方差分析，<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 微塑料表征

MPs是加聚形成的高分子化合物，其分子排列有序。图1为PVC的FTIR图，约在616 cm‒1处为C-Cl平面振动引起；在1 400～1 500 cm‒1处的峰主要为C-H或者C-C振动引起；约2 925 cm‒1处的峰是—CH、—CH2和—CH3等脂肪族结构的C-H伸缩振动产生[12]。经与岛津傅里叶红外常规谱库比对，确定微塑料为PVC。粒径90%都处在目标粒径范围内。

图1 聚氯乙烯FTIR图（左）、粒径分布图（右）

2.2 微塑料对玉米种子发芽率的影响

种子发芽率是表明玉米种子在微塑料暴露条件下其发芽能力大小的主要指标。不同粒径、不同浓度微塑料对玉米种子平均发芽率的影响如图2所示。玉米种子平均发芽率表现出明显的差异。其中对照组（CK）发芽率为100%，中粒径(2 μm组)处理玉米发芽率明显低于CK，发芽率33%～ 78%；大粒径（75 μm组）和小粒径（0.1 μm组）处理后发芽率分别为92%～94%以及67%～78%。75 μm组对玉米幼苗生长影响不大，这与吴佳妮等[13]研究结果一致。

图2 微塑料对玉米发芽率的影响

2.3 微塑料对玉米幼苗株高的影响

不同粒径不同浓度PVC对玉米株高的影响如图3-a所示。从图中可以看出，CK组株高最长，玉米平均株高为6.08 cm；2 μm处理组对玉米株高影响最大，且随着浓度的增大，抑制作用逐渐增强，5 400 mg/kg抑制率达到最大，为73.6%。75 μm处理组玉米株高抑制率为20.5%～27.3%，无明显的浓度效应。0.1 μm处理组与空白对照组无显著性差异。说明，中大粒径（2和75 μm）高浓度（5 400 mg/kg）微塑料暴露可显著降低玉米幼苗株高的生长。

不同粒径不同浓度PVC对玉米根长的影响如图3-b所示。与发芽率和株高结果一致，2 μm处理组对玉米根长的影响最大，抑制率17.8%～ 39.7%，其中5 400 mg/kg抑制率最大，为39.7%。大粒径组和小粒径组对玉米根长的影响与空白对照组相比，分别降低了2.3%～10.1%以及1.5%～ 11.8%。

图3 微塑料对玉米株高（a）和根长（b）的影响

2.4 微塑料对玉米幼苗叶绿素的影响

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4-a和4-b可知，大粒径和小粒径PVC存在时，叶绿素与空白组无显著差异，表明微塑料对玉米幼苗光合系统影响不大；中粒径PVC存在时，叶绿素与空白组存在极显著差异，表明中粒径组对玉米幼苗生长影响最显著，与根长和苗长的影响趋势一致。

图4 微塑料对玉米幼苗叶绿素a和b的影响

3 讨论

目前有关微塑料的研究主要集中在海洋、湖泊等水生生态系统，以及微塑料对水生生物如藻类、鱼类、贝类等毒理学效应研究，而农业生态系统中微塑料和作物相互作用的研究相对缺乏，微塑料对作物的作用机制仍未知。本文以大田地膜的主要原料PVC为研究对象，探究3种不同粒径（75、2和0.1 μm）聚氯乙烯微塑料在4个浓度梯度（540、1 620、2 700和5 400 mg/kg）下对玉米种子发芽和幼苗生长的影响。

研究结果表明，3种粒径PVC对玉米种子的发芽均存在一定的抑制作用。其中中粒径试验组抑制作用最为明显，且随着浓度的升高，发芽率呈现“先降后升”的趋势，抑制率最大为78%。这与吴佳妮等[13]研究结果一致。有研究结果表明，微塑料能够吸附在种子、胚根和根毛的表面[14]，且种子在萌发阶段对水分需求极高。因此，微塑料降低种子发芽率的原因可能在于吸附在种皮空囊上的塑料会降低植物对水分的吸收速度，进而抑制发芽。且不同粒径PVC在不同浓度下的抑制作用程度不同是由MPs自身“化合物生物毒性效应”“物理毒性效应”和“环境介质”等因素的细微变化共同决定的[15]，相关作用机制目前尚不清楚。

3种粒径PVC对株高、根长的影响整体均表现出抑制作用，抑制率分别为20.5%～73.6%（株高）、1.5%～39.7%（根长），同发芽率试验一致，中粒径试验组抑制作用最大，且与浓度呈正相关关系。廖苑辰等[11]研究了聚苯乙烯（PS）对小苗生长及生理生化特性的影响，指出微塑料的毒理效应与粒径和浓度密切相关。粒径5 μm较0.1 μm的PS对小麦的根、茎表现出更大的毒性效应，且同粒径中浓度越高，其对作物的影响可能越强。推测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，小粒径由于容易发生团聚现象，导致有效微塑料浓度降低，抑制效应减弱；大粒径组由于比表面积小，不利于玉米对微塑料的吸附。因此表现出中粒径组对玉米幼苗生长的抑制作用最强。

综上，不论是总体还是局部的变化趋势与规律，PVC对玉米种子根长、苗长的影响与其对玉米种子发芽率的影响基本一致。这说明二者的影响是相互关联的，即PVC通过影响玉米种子的发芽率进而影响玉米种子的株高和根长。吴佳妮等[13]探究了20和100 nm两种粒径聚苯乙烯在6个浓度梯度下对大豆种子发芽和幼苗生长的影响，结果表明，聚苯乙烯对植物的毒性与粒径和浓度密切相关，在中等浓度（200 mg/L）时，对大豆幼苗生长的毒害作用最大，与本文研究结果一致。

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Effects of Polyvinyl Chloride Microplastics With Different Particle Sizes on Seed Germination and Seedling Growth of Maize

LIU Jing WANG Pei

(School of Medicine, Xi 'an International University, Xi’an, Shaanxi 710077, China)

In order to study the ecotoxicological effect of microplastics on field crops, the effects of three different particle sizes (75, 2 and 0.1mm) of PVC microplastics on seed germination and seedling growth of maize (L.) at four concentration gradients (540, 1 620, 2 700 and 5 400 mg·kg‒1) were selected. The results showed that three kinds of particle size microplastics had certain inhibitory effect on the germination rate of maize seeds, and 2 μm particle size had the greatest inhibitory effect on the germination rate, and the inhibitory rate was between 33% and 78%. With the increasing of concentration, the inhibitory effect showed a trend of ‘first decreased and then increased’. The effect of three kinds of particle size PVC on plant height and root length showed inhibitory effect, and the inhibition rates were 20.5%～73.6% (plant height) and 1.5%～39.7% (root length), respectively. 2 μm particle size PVC had the greatest effect on plant height and root length, and was positively correlated with concentration. In conclusion, the plant toxicity of PVC was closely related to particle size and concentration, and it had the greatest toxic effect on maize seedling growth at medium particle size and high concentration.

microplastics; PVC; maize; seed germination; seedling growth

S46

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.10.005

2022-06-01；

2022-06-20

陕西省科技厅科学研究计划项目（No. 2020JQ-916）。

刘静（1984—），女，硕士，主要研究方向为生物化学，E-mail：liujing@xaiu.edu.cn。

王培（1990—），女，硕士，主要研究方向为农药环境毒理，E-mail：wangpei@xaiu.edu.cn。

（责任编辑 龙娅丽）