鄭陽，查旭瓊，周凱泰，王娟,張躍進

(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)簡稱 PE，是結(jié)構(gòu)最簡單的高分子有機化合物，試驗表明，PE對綠豆種子的發(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，但當(dāng)其粒徑達到0.023～0.038 mm時，對幼苗生長表現(xiàn)出明顯的毒性效應(yīng)，尤其是在高濃度時，會顯著降低綠豆種子的干重、鮮重、根長和芽長.[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，其對土壤及植物產(chǎn)生的生物效應(yīng)不盡相同.如微塑料的存在會降低土壤對Cd2+的吸附能力，增加土壤中Cd2+的解吸量，進而導(dǎo)致Cd2+的生物有效性增加，對環(huán)境造成潛在的威脅.另外，微塑料與鎘的復(fù)合污染對于小麥種子的芽的影響大于對根的影響，其復(fù)合效應(yīng)對小麥種子發(fā)芽、根長和芽長的影響總體上表現(xiàn)為促進作用，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，重點研究不同濃度的微塑料與鎘溶液復(fù)合污染對綠豆種子發(fā)芽及幼苗生長的影響，為減少微塑料和重金屬的復(fù)合效應(yīng)對農(nóng)作物種子生長特性的影響提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試材料與儀器

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

分光光度計(型號：UV-5100B，購于上海元析儀器有限公司)；移液槍(型號：100-1000 μL，購于力晨科技有限公司)；生化培養(yǎng)箱(型號：SPX-50B，購于迎工儀器設(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、氮藍四唑均為分析純.

1.2 實驗方法

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，將綠豆種子表面水分吸干，整齊擺放在鋪有兩層潤濕濾紙的培養(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)，組號記為E1、E2、E3、E4；空白對照記為CK.所有處理設(shè)置成三個平行組進行.

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，每天定時記錄綠豆種子發(fā)芽數(shù).

1.3 測量方法

以幼芽達到種子長度的一半、根長與種子等長作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，以綠豆播種時記為第1天，第7天將綠豆幼苗置于103 ℃烘箱中烘干24 h至恒重，分別對其稱重和測量株高，并參照文獻[19-21] 計算綠豆的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、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(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為對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù).

抑制率=(對照值-處理值)/對照值×100%

(4)

再采用文獻[22-24]的方法，分別測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)合處理對綠豆種子發(fā)芽有明顯的抑制作用，抑制率最高分別達到40.00%、26.7%，在整個微塑料與鎘的復(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，而且會增強污染物對生物體的毒性效應(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，會通過增加攝入濃度、加劇組織損傷和降低機體抗性等方式，增強污染物對生物體的毒性效應(yīng)，從而抑制了綠豆種子的發(fā)芽率.[25]

表1 微塑料-鎘復(fù)合污染對綠豆種子發(fā)芽的影響

而文獻[18]中的實驗表明，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小麥的毒性.同時，微塑料對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于土壤中鎘的吸收，并在一定程度上緩解鎘對于綠豆種子的毒性效應(yīng).

2.2 微塑料-鎘復(fù)合污染對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)同促進作用，后者為協(xié)同抑制作用.A1、A2、A3處理的株高增長率分別達到了10.89%、10.20%和10.08%，E4處理的株高抑制率高達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)致毒性更強的微塑料團聚并包裹在植物根系周圍.[27-28]

2.3 微塑料-鎘復(fù)合污染對綠豆幼苗酶活性的影響

由圖2可知，在對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 綠豆幼苗各項酶活性指標(biāo)測定

研究表明，這與微塑料在土壤中的形貌變化有關(guān).[26]進入土壤的微塑料經(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，即可以與土壤有機質(zhì)結(jié)合，形成更大的聚合態(tài)，增大對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)為更強的毒性，說明兩者的毒害機制都起作用.

微塑料-鎘復(fù)合處理對綠豆幼苗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)，并且絕大部分都對綠豆發(fā)芽有促進作用，促進效率最高可達75.07%.

微塑料-鎘復(fù)合處理對綠豆幼苗的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).對于“低濃度微塑料-低高濃度鎘”復(fù)合處理均為協(xié)同促進作用，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97.83%，協(xié)同促進效率最高可達23.90%.表明，微塑料-鎘復(fù)合效應(yīng)對于綠豆幼苗的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.

3 結(jié)語

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

3.1 微塑料與鎘復(fù)合污染對綠豆種子發(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，抑制率達40%.而高濃度的微塑料(1500 mg/kg)由于表現(xiàn)出極強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、發(fā)芽指數(shù)以及發(fā)芽率分別增長46%、2.43%和33%.

3.2 微塑料與鎘復(fù)合處理對綠豆幼苗的生長總體呈現(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)同促進以及協(xié)同抑制作用.協(xié)同促進作用可使株高的增長率達到10.89%，抑制率可達48.46%.其中，微塑料阻礙植株水分的吸收可能是其中一個毒害機制，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SOD酶和CAT酶的活性抑制率可達62.09%和97.83%，而對POD酶活性則為促進作用，促進效率可達75.07%.