微塑料與Cd交互作用對小麥種子發(fā)芽的生態(tài)毒性研究

馮天朕,陳 蘇,*,陳 影,劉 穎,張曉瑩,晁 雷

微塑料與Cd交互作用對小麥種子發(fā)芽的生態(tài)毒性研究

馮天朕1,陳 蘇1,2*,陳 影1,劉 穎1,張曉瑩1,晁 雷2

(1.沈陽大學環(huán)境學院,區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110044；2.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 110068)

為探究微塑料、重金屬以及二者的交互作用對農(nóng)作物種子生長特性的影響,選取小麥(L)為實驗對象,開展土壤中微塑料聚乙烯(mPE)和聚丙烯(mPP)(0,10,50,100,200,500,1000,5000和10000mg/kg)與重金屬鎘(Cd)(0,1和5mg/kg)單一及復合污染對種子萌發(fā)的影響研究.結果表明,在本實驗所設定的條件下,單一Cd污染對小麥種子萌發(fā)特性的影響表現(xiàn)為“低促高抑”規(guī)律,小麥種子的根長與芽長隨著Cd濃度提升均呈抑制趨勢.在單一微塑料污染條件下,mPE對小麥種子的發(fā)芽率基本表現(xiàn)為“低抑中促高抑”的規(guī)律,mPP 對小麥種子發(fā)芽率的影響為“低促高抑”.微塑料和Cd復合污染的實驗結果表明,與單一微塑料污染對照組相比,微塑料和Cd復合污染會促進小麥根與芽的生長,相比于mPE,復合污染下的mPP對于小麥根長與芽長的促進程度更大,且濃度范圍較廣(0～1000mg/kg).在Cd濃度為1mg/kg(Cd1)時mPE復合污染的小麥根長、芽長大于Cd濃度為5mg/kg(Cd5)情況下mPE復合污染的長度.在Cd1條件下mPP復合污染的小麥根長、芽長小于Cd5情況下mPP復合污染的長度,微塑料與Cd的復合污染對于芽的影響大于對根的影響.微塑料-Cd復合效應對小麥種子發(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.

微塑料；Cd；復合污染；小麥；種子發(fā)芽

微塑料作為一種新型持久性污染物,已有大量研究發(fā)現(xiàn)其會對生態(tài)環(huán)境和各類生物造成危害[1-2].另外,微塑料還可作為載體吸附和富集重金屬等污染物,直接或通過食物鏈傳遞危害生物體健康,因此微塑料與Cd的復合污染問題也正越來越受到人們的重視[2-4].

近年來野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國土壤中微塑料污染的現(xiàn)象較為嚴重.在渤海和黃海海灘土壤中,微塑料豐度在1.3～14712.5個/kg[5].同時,在黃土高原,上海、云南、武漢及沈陽的農(nóng)田土壤,云南河岸森林,黃河三角洲濕地,大遼河流域都存在微塑料污染[6-13].當前報道土壤中微塑料類型與占比各不相同,渤海、黃海沿岸土壤中微塑料主要類型為PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯),這與黃河三角洲濕地、大遼河流域和河套灌區(qū)農(nóng)田土壤中微塑料主要類型相同,均為PE、PP,沈陽周邊農(nóng)田土壤中微塑料PE含量最高,其次為PP、PS[5,11-14].不同區(qū)域的微塑料污染種類存在差異,且粒徑大小也有顯著不同.渤黃海沿岸與上海蔬菜農(nóng)田深層土壤中微塑料粒徑<1mm的部分均占60%左右,武漢城郊菜地土壤中的微塑料粒徑50～100μm占35.3%,黃河三角洲濕地蘆葦生長點位土壤中微塑料以50μm以下粒徑占整體62.50%,大遼河流域土壤中微塑料粒徑在100～500μm占19.33%[5,9-12].土壤中除了存在微塑料污染問題,重金屬也是我國農(nóng)田土壤中的典型污染物,因其巨大的環(huán)境風險一直受到國內(nèi)外研究者的廣泛關注[15-16].在我國Cd污染耕地面積達1300萬hm2,沈陽張士污灌區(qū)便是其中的典型地區(qū),其土壤以及生長植物中Cd的含量遠高于清潔土壤背景值[16].Cd易被植物吸收并富集,最終通過食物鏈進入人體,對人類長期利用土壤與農(nóng)作物種植安全造成嚴重影響[17-18].在環(huán)境回收的微塑料發(fā)現(xiàn)其表面吸附多種重金屬(如鉛、銅、Cd、鉻、錳等),但是目前微塑料和重金屬之間的相互作用機制未得到足夠的重視,復合污染相關研究較少[19-21].

基于我國土壤環(huán)境污染現(xiàn)狀,微塑料和重金屬在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的共同暴露是不可避免的事實,二者極可能會發(fā)生不同的交互作用[21-24].小麥作為典型模式植物,也是我國的代表性農(nóng)作物.因此,本文采用小麥作為供試植物,以重金屬Cd(Cd)和兩種土壤中廣泛存在的典型微塑料(聚乙烯(mPE)、聚丙烯(mPP))為研究對象,研究其單一及復合污染條件下對小麥種子萌發(fā)特性的影響,以便進一步揭示土壤環(huán)境中微塑料與Cd的交互作用、了解土壤環(huán)境中微塑料與Cd復合污染的環(huán)境風險,更有效地控制污染和危害,為微塑料和重金屬污染土壤的修復、土壤環(huán)境質(zhì)量基準制定提供科學依據(jù)與技術支撐.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試植物為小麥(,型號:長豐2112,采購于陜西長豐種業(yè)有限公司),供試土壤為草甸棕壤(采自沈陽市蘇家屯區(qū)農(nóng)田,0～20cm表層土壤),土壤中未檢測出微塑料,基本理化性質(zhì)如下: pH6.55,陽離子交換量為12.26cmol/kg,有機質(zhì)1.55%,速效氮(80.42mg/kg),速效磷(12.73mg/kg),速效鉀(76.91mg/kg),土壤中Cd濃度為0.03mg/kg.過氧化氫(H2O2,30%)分析純,氯化Cd(CdCl2·2.5H2O)分析純.實驗中所用微塑料粒徑均為40～48μm,其中mPE購于西格瑪生物試劑公司(CAS號:434272-100g), mPP購買于廣弘高分子材料經(jīng)營部(中國東莞),小麥發(fā)芽所用恒溫培養(yǎng)箱為上海精宏隔水式電熱恒溫培養(yǎng)箱GNP-9160.

1.2 實驗方法

種子萌發(fā)實驗采用土培方式,分別加入不同濃度微塑料mPP、mPE以及Cd溶液配置兩者單一、復合污染土壤,供試土壤過20目篩,以玻璃培養(yǎng)皿為容器,每皿土壤50.00g.土壤中微塑料mPP、mPE濃度設置均為0,10,50,100,200,500,1000,5000和10000mg/kg,Cd濃度分別為0,1,5mg/kg共27個處理.在土壤加入微塑料以及Cd后充分混勻,平衡一周,每個處理3次重復.采用1.5% H2O2溶液浸泡健康飽滿的小麥種子20min,去離子水反復沖洗并浸泡4h后將其瀝干備用.選取小麥種子播種于土中,每皿10粒,補充適量的去離子水以補償蒸發(fā)水分,使土壤含水量保持為最大持水量的60%,放置恒溫培養(yǎng)箱中(25℃,無光照)培養(yǎng)2d后,計算種子發(fā)芽率,測量芽長、根長.

1.3 測量方法

以幼芽達到種子長度一半,根長與種子等長作為發(fā)芽標準,2d后統(tǒng)計發(fā)芽率、平均根長和芽長.根長度與芽長度用1/10cm尺子人工測量.發(fā)芽率、芽伸長(或根伸長)抑制率等指標的計算公式如下:

發(fā)芽率(GR)=(2d內(nèi)供試種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100% (1)

抑制率＝(對照-處理)/對照×100% (2)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行處理,結果以(平均值±標準差)表示,采用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,利用單因素方差分析中的LSD多重比較檢驗不同處理間的結果差異顯著性,統(tǒng)計顯著性設為<0.05,復合實驗采用雙因素方差分析.

2 結果與分析

2.1 微塑料和Cd交互作用對小麥發(fā)芽率的影響

2.1.1 單一微塑料或Cd污染對小麥種子發(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.在微塑料暴露下,小麥種子的發(fā)芽率為 83.3%～100.0%(圖1),表明大部分小麥種子在微塑料影響下仍可萌發(fā),不同種類的微塑料對其發(fā)芽影響有所差異.在mPE 的暴露下,小麥種子的發(fā)芽率基本表現(xiàn)為“低抑中促高抑”的規(guī)律.在mPE 濃度較低(10,50和100mg/kg)與較高(5000和10000mg/kg)的條件下對小麥種子的發(fā)芽表現(xiàn)出一定的抑制作用;在200mg/kg和500mg/kg mPE濃度下,發(fā)芽率高于空白對照組.相比而言,mPP 對小麥種子發(fā)芽率的影響為“低促高抑”,在濃度為10mg/kg時,mPP促進了小麥種子的發(fā)芽.濃度為 50mg/kg時,發(fā)芽率與空白對照組數(shù)據(jù)基本相同.當濃度升高至100mg/kg及以上時小麥種子的發(fā)芽受到抑制.在濃度為1000mg/kg時,mPP對小麥種子的抑制作用達到最大,發(fā)芽率僅為83.3%.

在本實驗中單一Cd污染對小麥種子發(fā)芽率這一指標表現(xiàn)為抑制作用,在Cd濃度為0、1、5 mg/kg時的發(fā)芽率分別為96.70%、93.00%與89.70%,由此可知在單一Cd污染條件下小麥種子發(fā)芽率隨著Cd濃度增高呈下降趨勢.

2.1.2 微塑料和Cd復合污染對小麥發(fā)芽率的影響 在微塑料與Cd的交互作用下,小麥種子的發(fā)芽率為 56.7%～100.0%(圖2),表明大部分小麥種子仍可萌發(fā),但不同種類微塑料、不同濃度Cd污染影響下,小麥種子發(fā)芽情況差異較大.

如圖2(a)所示,mPE與Cd復合污染整體發(fā)芽率為56.7%～100.0%.總體而言,除mPE濃度為0外,Cd1實驗條件下(Cd濃度為1mg/kg下同)的小麥種子發(fā)芽率均大于Cd5 (Cd濃度為5mg/kg下同).在mPE與Cd1的復合污染實驗條件下,發(fā)芽率為80%～100%.隨著mPE濃度提升,在10mg/kg～100mg/kg濃度范圍內(nèi)為促進作用,超過200mg/kg后呈抑制作用.在mPE與Cd5實驗條件下,小麥種子的發(fā)芽率為56.7%～95.0%.隨著mPE濃度的提升發(fā)芽率呈明顯下降趨勢,除mPE濃度為50mg/kg以外,其他mPE濃度條件下的發(fā)芽率均低于單一Cd污染條件下發(fā)芽率,在濃度為200mg/kg與500mg/kg時抑制程度最大,發(fā)芽率僅為56.7%.

圖1 單一微塑料暴露下的小麥種子發(fā)芽率

柱上字母不同表示處理間差異顯著(<0.05),下同

mPP與不同濃度Cd的復合污染條件下小麥種子發(fā)芽率如圖2(b)所示,整體發(fā)芽率為95%～100.0%.與Cd5實驗條件相比,在mPP濃度為0和500mg/kg時,mPP與Cd1交互作用下的小麥種子發(fā)芽率均大于mPP與Cd5交互作用的發(fā)芽率.在mPP與Cd1的復合污染實驗條件下,小麥種子的發(fā)芽率為96.7%～100%.隨著mPE濃度的提升,在10mg/kg～10000mg/kg濃度范圍內(nèi)對小麥種子發(fā)芽為促進作用;在mPP與Cd5的復合污染實驗條件下,可看出mPP對小麥種子的發(fā)芽呈明顯的促進作用,僅在mPP濃度為500mg/kg時發(fā)芽率為96.7%,其他條件下均為100%.

2.2 微塑料和Cd交互作用對小麥根長的影響

2.2.1 單一微塑料污染對小麥種子根長和根長抑制率的影響 如圖3所示,在單一微塑料mPE污染條件下, mPE對小麥根生長起促進作用,具體表現(xiàn)為在mPE濃度較高(>100mg/kg)時促進作用強于mPE濃度低(<50mg/kg),特別的在濃度為5000mg/kg時對小麥根的生長有一定抑制作用.在單一微塑料mPP污染條件下,由圖3可知mPP對小麥根的生長影響為促進作用.總體而言,單一微塑料對小麥種子根生長影響相對較小.經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):相比于單一mPE微塑料污染,mPP微塑料污染對于小麥根伸長量的影響更為明顯,顯著性=0.045.在單一微塑料mPE污染條件下,由表3可知,僅在mPE濃度為5000mg/ kg時對小麥根伸長起抑制作用,整體為促進作用.在10mg/kg～500mg/kg濃度范圍內(nèi),隨著mPE濃度升高,mPE對小麥根伸長的促進作用逐漸增強并在500mg/kg時達到峰值,在500mg/ kg～5000mg/kg濃度范圍內(nèi),隨著mPE濃度升高促進作用逐漸減弱并在5000mg/kg時抑制率達到最大值3.7%,在10000mg/ kg濃度條件下mPE又轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M作用.

圖3 單一微塑料暴露下小麥種子的根伸長

在單一微塑料mPP污染下,由表1可知mPP在濃度小于200mg/kg時小麥根伸長抑制率為負值,表現(xiàn)為促進作用并逐漸增強.在濃度大于200mg/kg后小麥根伸長抑制率隨著濃度增加抑制性增強,繼而在5000mg/kg和10000mg/kg濃度條件時表現(xiàn)為促進作用.二者比較而言,在50mg/kg～200mg/kg濃度范圍,單一微塑料對小麥種子根的伸長影響都為促進作用,但在500mg/kg～5000mg/kg濃度范圍內(nèi)mPE與mPP對小麥根伸長量的影響完全相反.

表1 單一微塑料暴露下小麥種子的根伸長抑制率(%)

2.2.2 單一Cd污染對小麥種子根長的影響 Cd污染對小麥種子的生長特性指標基本表現(xiàn)為“低促高抑”的規(guī)律,在單一Cd污染條件下,小麥根長分別為1.07cm(Cd0), 1.77cm(Cd1), 1.68cm(Cd5).可知在Cd濃度為1mg/kg和5mg/kg時,對小麥種子的根長均表現(xiàn)為促進作用,本實驗中所采用的Cd濃度未到抑制小麥根伸長的濃度,所以相對于空白處理為促進作用但整體呈下降趨勢,與其他學者的研究結果一致[17-18].

2.2.3 微塑料和Cd復合污染對小麥種子根長和根長抑制率的影響 由圖4(a)可知,在Cd1與不同mPE濃度下小麥根長小于同濃度mPP小麥根長,差值最大為0.837cm.在mPE與Cd1的復合污染條件下,小麥根長在50～1000mg/kg濃度范圍為抑制狀態(tài),其他條件下為促進;在mPP與Cd1的復合污染條件下,除50mg/kg與100mg/kg條件外,其余濃度均處于抑制狀態(tài).由圖4(b)可知,在Cd5實驗條件下同濃度mPP小麥根長大于同濃度mPE小麥根長,差值最大1.556cm.在mPE與Cd5交互作用下,小麥根長均處于抑制狀態(tài);在mPP與Cd5的復合污染條件下,小麥根長均處于促進狀態(tài).總體而言,在微塑料與Cd的復合污染條件下,mPP小麥根長總大于同一Cd濃度影響下mPE的小麥根長.且mPE與Cd1交互作用下小麥根長大于mPE與Cd5交互作用下的小麥根長;在mPP與Cd1交互作用下小麥根長小于mPP與Cd5交互作用下的小麥根長.

由圖5可知,在Cd1實驗條件下mPE和mPP在50～1000mg/kg濃度范圍內(nèi),根伸長抑制作用相同,在mPE濃度為100～1000mg/kg時,小麥根伸長抑制率(7.12±3.07)%,在濃度大于5000mg/kg后抑制率反轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M作用.在mPP濃度大于200mg/kg時,小麥根伸長抑制率(9.61±3.1)%.在Cd5實驗條件下,mPE和mPP根伸長抑制率完全相反.mPE在0～200mg/kg濃度范圍內(nèi)小麥根伸長抑制率隨著微塑料濃度的增加而逐漸上升,在mPE濃度大于200mg/kg后下小麥根長抑制率一直保持在(37.95±7.99)%范圍內(nèi).mPP在全部濃度范圍內(nèi),小麥的伸長抑制率均為負值,對小麥根伸長起促進作用,在濃度100～5000mg/kg條件下根長抑制率一直保持在(-33.62±5.23)%范圍內(nèi).

圖5 微塑料與Cd復合污染條件下小麥的根伸長抑制率

2.3 微塑料和Cd交互作用對小麥芽長的影響

2.3.1 單一微塑料污染對小麥種子芽長和芽長抑制率的影響 由圖6可知,除mPE濃度100mg/kg外, mPE對小麥芽的生長起促進作用,濃度>500mg/kg時,促進作用較強,在微塑料濃度<200mg/kg條件下促進作用較弱,且在濃度為100mg/kg時小麥的芽伸長受到了抑制作用.在單一微塑料mPP污染條件下,由圖6可知mPP 對小麥芽的生長影響基本表現(xiàn)為促進作用.但在500,1000mg/kg時mPP 對小麥的芽的伸長有所抑制.二者相比情況下,除了微塑料在500和1000mg/kg濃度條件下單一mPE的影響大于單一mPP的影響,其余濃度條件下均為單一mPP的影響大于單一mPE的影響.

由表2可知,mPE僅在濃度為50mg/kg時對小麥芽伸長起抑制作用,整體為促進作用.在mPE濃度大于500mg/kg后隨著濃度升高,芽伸長促進作用減弱,抑制率最小值出現(xiàn)在200mg/kg(-33.3%).在單一微塑料mPP污染條件下,由表5可知mPP 在濃度小于200mg/kg時小麥芽伸長抑制率為負值,該范圍內(nèi)芽長抑制率一直保持在(-6.75±2.15)%.在200與5000mg/kg濃度時小麥芽伸長抑制率隨著濃度增加抑制性減弱.mPE與mPP整體比較而言, mPE對小麥種子芽的伸長促進程度比mPP更顯著.

圖6 單一微塑料暴露下的小麥種子的芽伸長

表2 單一微塑料露下小麥種子的芽伸長抑制率(%)

2.3.2 單一Cd污染對小麥種子芽長的影響 Cd污染對小麥種子的生長特性指標基本表現(xiàn)為“低促高抑”的規(guī)律,在單一Cd污染條件下, 小麥芽長分別為0.49cm(Cd0), 0.69cm(Cd1), 0.64cm(Cd5).由此可得在Cd濃度為1和5mg/kg時,對小麥種子的芽長表現(xiàn)為促進作用.

2.3.3 微塑料和Cd復合污染對小麥種子芽長和芽長抑制率的影響 由圖7(a)可知在微塑料與Cd交互作用下, Cd1與mPP小麥芽長大于mPE,差值最大0.097cm,最小為0.003cm,僅在10mg/kg濃度下mPE小麥芽長大于mPP.由7(b)可知,Cd5實驗條件下,僅0和10mg/kg濃度下mPE小麥芽長大于同濃度mPP,其余濃度下均為mPP小麥芽長大于mPE,差值最大為0.464cm,最小為0.038cm.總體而言,在微塑料與Cd的交互作用下,mPP小麥芽長大于同濃度下mPE小麥芽長的現(xiàn)象占大部分.在mPE與Cd1交互作用下小麥芽長大于mPE與Cd5交互作用下的小麥芽長;在mPP與Cd1交互作用下小麥芽長小于mPP與Cd5交互作用下的小麥芽長.

由圖8可知,在Cd1條件下,小麥芽伸長抑制率在mPP與Cd的交互作用下為正值,即抑制作用,且隨著mPP濃度增加抑制作用增強,在濃度>500mg/kg時,抑制率為(11.785±0.945)%.除mPE濃度為10mg/kg的復合污染下對小麥的根伸長為促進作用,其余實驗條件下根伸長抑制率和變化趨勢與mPE相同,在濃度>500時,抑制率為在(18.28±1.18)%.在Cd5條件下,mPE與mPP的小麥的芽伸長除最低與最高兩個濃度外抑制率完全相反.抑制率隨mPE濃度的增加而上升,除在10mg/kg濃度外,根伸長抑制率均為正值,對小麥芽伸長起抑制作用.在200～1000mg/kg濃度范圍內(nèi),抑制率保持在(27.785±1.695)%.在mPP濃度為10000mg/kg時根伸長抑制率為正值3.6%,對小麥的芽伸長為抑制作用,其余濃度復合污染條件下均為負值,為促進作用.在100～5000mg/kg濃度范圍內(nèi),抑制率保持在(-22.835±6.085)%.

圖8 微塑料與Cd復合污染1mg/kg和5mg/kg條件下小麥的芽伸長抑制率

3 討論

植物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,其生長不可避免地受到土壤環(huán)境的影響,小麥作為典型模式植物,通過針對其在微塑料PE、PP與重金屬Cd的復合污染條件下的毒理學影響,能夠更好地判斷與了解微塑料在自然環(huán)境中對于植物作用的機理.經(jīng)研究,將水芹種子暴露在微塑料中水培,種子發(fā)芽率明顯受到抑制,且粒徑大的微塑料的影響更大[25].PP和高密度聚乙烯(HDPE)抑制小麥發(fā)芽;低密度聚乙烯(LDPE)、可生物降解塑料地膜碎片對小麥種子生長具有明顯的抑制作用,而在本次試驗中也出現(xiàn)了在高濃度微塑料污染的情況下發(fā)芽率有所下降的情況,與前人研究結果相吻合[26].有學者研究了塑料地膜對小麥種子萌發(fā)的影響,結果顯示,塑料地膜高添加量(15000mg/kg)明顯抑制小麥芽和根的伸長,不僅如此,土壤中的微塑料會損害葉片光合系統(tǒng),阻礙蛋白質(zhì)的合成,在本實驗中小麥在不同種類高濃度微塑料污染情況下的芽與根伸長抑制率均為正,抑制小麥發(fā)芽期的芽和根的伸長,與文獻[27-30]結果相同.李貞霞等[31]在通過研究土壤中微塑料和Cd交互作用對黃瓜葉片生理指標的影響發(fā)現(xiàn),在Cd污染存在時,土壤中微塑料對Cd的生物有效性影響具有部分減輕作用,單一的微塑料污染會影響植物的光合系統(tǒng),其影響機制可能與微塑料粒徑等有關,文獻[32-33]對土壤中粒徑100～154μm的PE與Cd的交互作用對玉米生態(tài)毒性研究發(fā)現(xiàn):在微塑料10%(/)濃度下的玉米生物量和葉綠素含量明顯降低,土壤中微塑料的存在并未明顯引起植物組織中Cd濃度的改變,但是增加了土壤中可提取的Cd含量.在本文中高濃度微塑料(>500mg/kg)與Cd復合的污染條件下,二者表現(xiàn)為拮抗作用,微塑料在一定程度上可以減輕Cd對于植物的污染程度,與文獻[24]研究結果一致.某些學者研究表明,土壤中的mPET顆?？梢宰鳛樾←湼H中的Zn,Cd和Pb這3種重金屬由土壤向根際區(qū)轉(zhuǎn)移的載體,有學者發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料PS的存在可以部分減少小麥葉片中Cd的含量,并減輕Cd對小麥的毒性[31,33,35].結合該研究與本文結果,可推斷出微塑料在一定情況下可減緩植物對于土壤內(nèi)Cd的吸收作用,并在一定程度上緩解Cd對于小麥的毒性效 應.

由此可知,不同種類、濃度的微塑料與土壤中不同濃度的Cd污染的復合作用存在較大差異,微塑料能夠富集金屬離子,與水環(huán)境類似,微塑料在土壤環(huán)境中也可以增強污染物對生物體的毒性效應,即抑制小麥種子的根伸長與芽伸長[20].僅以實驗中1mg/kg的Cd污染條件為例:在該濃度Cd污染與mPE(500和1000mg/kg)的復合污染條件下可能損害了小麥種子組織,最終導致小麥根與芽伸長受到抑制.此外,微塑料也降低Cd染物對生物體的毒性效應,即促進小麥種子的發(fā)芽,如mPP(500和1000mg/kg)在該復合污染條件下,反而促進了小麥種子的根伸長與芽伸長.不同種類的微塑料對重金屬Cd的吸附能力具有差異,且對不同濃度的重金屬Cd的吸附能力不同,因此推斷微塑料與重金屬聯(lián)合作用對植物的作用機理差異較大,仍然需要一步研究.

4 結論

4.1 在一定的濃度范圍內(nèi)(100～10000mg/kg),單一微塑料處理對小麥種子的影響多為抑制作用,mPE對小麥種子的發(fā)芽影響表現(xiàn)為“低促高抑”的規(guī)律;PP對小麥種子的發(fā)芽作用“低抑中促高抑”,在mPP濃度為1000mg/kg時發(fā)芽率出現(xiàn)最低值83.3%.

4.2 在本文所設定濃度的Cd脅迫下,單一Cd污染對小麥種子芽長、根長表現(xiàn)為促進的規(guī)律,發(fā)芽率有所下降,但對小麥種子根伸長的抑制率高于單一微塑料,且1mg/kg條件下小麥種子根長芽長均大于1mg/kg條件下芽長與根長.

4.3 與對照組相比:在復合污染存在時,mPP-Cd復合污染促進小麥種子發(fā)芽,而mPE-Cd復合污染抑制其發(fā)芽,抑制程度最大條件為Cd5與200mg/ kgmPE復合污染,發(fā)芽率僅為56.67%;微塑料-Cd復合污染對小麥種子根長和芽長的影響表現(xiàn)為促進作用,且相對于小麥根的影響,微塑料-Cd復合污染對于芽的影響更為強烈.

4.4 與對照組相比:高濃度mPE(>5000mg/kg)和Cd的復合污染對種子根生長的影響表現(xiàn)為促進作用,mPP與Cd復合污染對小麥根伸長基本表現(xiàn)為抑制作用; mPP和Cd1的復合污染條件下對種子發(fā)芽生長的影響表現(xiàn)多為抑制作用,但在Cd5條件下多為促進作用,mPE和Cd的復合污染對種子發(fā)芽生長的影響表現(xiàn)絕大部分情況下為抑制作用.

4.5 整體而言微塑料-Cd復合污染對小麥種子發(fā)芽率、根長和芽長的生長表現(xiàn)出一定程度的抑制作用;但是與單一污染條件相比較,微塑料與Cd的復合效應對小麥種子發(fā)芽、根長和芽長的影響大致表現(xiàn)為促進作用,二者復合污染條件下呈現(xiàn)拮抗作用,在一定程度上緩解了單一污染物的毒害作用.

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Study on ecological toxicity of microplastics and cadmium interaction on wheat seed germination.

FENG Tian-zhen1, CHEN Su1,2*, CHEN Ying1, LIU Ying1, ZHANG Xiao-ying1, CHAO Lei2

(1.College of Environmental Engineering, Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China；2.Shenyang Jianzhu University, College of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang 110068, China)., 2022,42(4)：1892～1900

In order to identify the behaviors of microplastics, heavy metals and their combined action on the growth characteristics of crop seeds, wheat () was selected as the experimental subject to conduct the research on the soil enriched microplastics polyethylene (mPE), polypropylene (mPP) (0, 10, 50, 100, 200, 500, 1000, 5000 and 10000mg/kg) and heavy metal cadmium (Cd) (0, 1 and 5mg/kg) single pollution toward seed germination respectively following by their combined effect. From the results derived from single pollution condition of Cd, low concentration of Cd exhibit promoted wheat germination accompanied by inhibition effect on high Cd concentration. Furthermore, both root and bud length displayed the inverse correlation with the Cd concentration. Under the single pollution condition of microplastic, the germination rate of mPE to wheat seeds basically showed a valley type that demonstrated two end are inhibited and medium concentration of mPE can promote the germination rate of wheat seeds. And low concentration of mPP exhibit promoted wheat germination accompanied by inhibition effect on high mPP concentration. In the experiment of microplastic and Cd combined pollution, the experiment result showed that microplastic and Cd compound pollution promoted elongation of wheat root and bud when compared to a single microplastic pollution control group. Under combined pollution, mPP promoted wheat root elongation and bud elongation more than mPE, and the concentration range was wider (0～1000mg/kg). The length of root and bud of wheat seeds contaminated pollute under mPE and Cd pollution (1mg/kg) was longer than that under mPE and Cd pollution (5mg/kg), but under the same conditions, the length of root and bud of wheat seeds contaminated with mPP and Cd pollution (1mg/kg) was shorter than that under mPP and Cd pollution (5mg/kg). The combined effect of microplastics and Cd on the germination, root and bud length of wheat seeds is generally shown as an accelerating effect, which relieves the toxic effect of a single pollutant to a certain extent.

microplastics；cadmium；combined effects；wheat ()；seed germination

X171.5,X53

A

1000-6923(2022)04-1892-09

馮天朕(1995-),男,山東聊城人,碩士研究生,主要從事污染土壤生態(tài)修復.

2021-09-01

遼寧省自然科學基金資助項目(2019-ZD-0556);遼寧省百千萬人才工程項目(2018)

*責任作者, 教授, mailchensu@aliyun.com