环境科学  2023, Vol. 44 Issue (8): 4458-4467   PDF    
引用本文
马贵, 廖彩云, 周悦, 丁家富, 周炎炎, 王展, 马燕. 微塑料与铅复合污染对玉米种子萌发与生长的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4458-4467.
MA Gui, LIAO Cai-yun, ZHOU Yue, DING Jia-fu, ZHOU Yan-yan, WANG Zhan, MA Yan. Effects of Combined Pollution of Microplastics and Lead on Maize Seed Germination and Growth[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4458-4467.
微塑料与铅复合污染对玉米种子萌发与生长的影响
马贵, 廖彩云, 周悦, 丁家富, 周炎炎, 王展, 马燕     
宁夏师范学院化学化工学院, 固原 756000
收稿日期: 2022-08-23; 修订日期: 2022-11-02
基金项目: 宁夏回族自治区自然科学基金项目(2022AAC03299); 宁夏回族自治区西部一流学科教育学二期项目(NXYLXK2017B11); 宁夏回族自治区大学生创新创业训练计划项目(S202210753021); 宁夏师范学院六盘山资源工程技术研究中心项目(HGZD22-12)
作者简介: 马贵(1982~), 男, 硕士研究生, 副教授, 主要研究方向为环境毒理学, E-mail: 82007056@nxnu.edu.cn
摘要: 为探明微塑料和重金属复合污染对作物种子萌发与生长的影响, 以玉米种子为对象, 探究了铅(Pb)和3种微塑料[聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)]不同单一及复合浓度暴露对玉米种子萌发及其生长的影响.结果表明, Pb单一暴露对玉米种子发芽的抑制总体上随其浓度的升高而增强; 与CK相比, 500、1000和1500 mg ·L-1PE暴露显著抑制玉米种子发芽, 100 mg ·L-1和300 mg ·L-1暴露影响不显著(第5 d除外); 所有PP浓度暴露均显著抑制玉米种子发芽; 相比PP和PE, PVC单一暴露对玉米发芽抑制较轻.Pb和3种微塑料复合暴露均显著抑制玉米种子发芽, 随着时间的增长, 抑制逐渐减弱.玉米种子的发芽指数、发芽势和活力指数均随着Pb及3种微塑料单一暴露浓度升高而减小, 且在Pb和PE复合暴露下较CK显著减小, 但在Pb和PP、Pb和PVC复合暴露下均无显著变化; 3种微塑料中, PVC对玉米种子活力影响相对最轻.10 mg ·L-1Pb和100 mg ·L-1的3种微塑料单一暴露均促进了玉米茎和根生长, 其他浓度多表现为抑制作用.500 mg ·L-1PE时, 10 mg ·L-1和20 mg ·L-1Pb暴露均促进玉米种子茎和根生长, 但PP和Pb复合暴露未产生显著抑制; PVC和Pb复合暴露下, 500 mg ·L-1PVC和10 mg ·L-1Pb对玉米茎和根生长抑制最强.微塑料和Pb复合暴露对玉米种子的萌发及生长的影响基本表现为拮抗作用, 减缓了各自单一暴露对玉米种子的毒害作用.
关键词: 微塑料      铅(Pb)      复合污染      玉米      种子萌发与生长     
Effects of Combined Pollution of Microplastics and Lead on Maize Seed Germination and Growth
MA Gui , LIAO Cai-yun , ZHOU Yue , DING Jia-fu , ZHOU Yan-yan , WANG Zhan , MA Yan     
College of Chemistry and Chemical Engineering, Ningxia Normal University, Guyuan 756000, China
Abstract: Microplastics are a new contaminant that are causing worldwide concern. However, an understanding of their impact on agricultural seed germination remains inadequate. To investigate the effects of combined microplastic and heavy metal contamination on crop seed germination and growth, the effects of exposure to different single and combined concentrations of lead (Pb) and three microplastics [polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polyvinyl chloride (PVC)] on maize seed germination and growth were investigated using maize seeds. The results showed that: the inhibition of maize seed germination by Pb single exposure generally increased with Pb concentration. Compared with that in CK, 500, 1 000, and 1 500 mg·L-1 PE exposure significantly inhibited maize seed germination, but 100 and 300 mg·L-1 exposure had no significant effect (except at d 5). All PP concentration exposures significantly inhibited maize seed germination, with higher concentrations resulting in stronger inhibition. Compared to that under PP and PE exposure, PVC single exposure inhibited maize germination less, and 500, 1 000, and 1 500 mg·L-1 exposures produced a facilitative effect at the later stages of germination. The germination index, germination potential, and vigor index of maize seeds decreased with the increase in the single exposure concentration of lead and three types of microplastics, significantly decreased compared with that of CK under the combined exposure of Pb and PE, and did not change significantly under the combined exposure of PP and Pb or PVC and Pb. Among the three types of microplastics, PVC had the least effect on corn seed vigor. Both single exposures of 10 mg·L-1Pb and 100 mg·L-1 of the three microplastics promoted maize stalk and root growth, whereas other concentrations showed mostly inhibitory effects. When the PE concentration was 500 mg·L-1, the 10 and 20 mg·L-1Pb exposures both promoted maize seed stalk and root growth; however, the combined PP and Pb exposures did not produce significant inhibition, whereas 500 mg·L-1PVC and 10 mg·L-1Pb showed the strongest inhibition of maize stalk and root growth under combined PVC and Pb exposures. The effects of combined exposure to microplastics and Pb on the germination and growth of maize seeds were essentially antagonistic, thus slowing down the toxic effects of their respective single exposures on maize seeds.
Key words: microplastics      lead (Pb)      complex pollution      maize      seed germination and growth     

随着塑料制品数量的不断增加, 越来越多的塑料废弃物进入环境后, 经光照、高温氧化、物理风化和生物降解等作用逐渐破裂、降解成更小的塑料碎片[1], 其中粒径小于5 mm的碎片称为微塑料[2].微塑料因其粒径小、数目多且难降解等特点, 常富集于水体、土壤和沉积物等环境介质中, 并通过生物摄食等过程在食物链中发生积累, 从而对人体健康产生潜在危害[3].微塑料已成为人们普遍关注的新型污染物[4, 5].

微塑料不仅普遍存在于海洋、河流和湖泊等水环境中, 同时大量富集于农田等土壤环境[6].农田土壤微塑料主要来自有机肥施用、农业覆膜生产、污水灌溉、地表径流和大气沉降等过程[7].微塑料进入农田后, 会改变土壤结构和质地, 影响土壤理化性质和生物多样性, 破坏土壤环境功能, 并在作物体内发生富集, 从而对食物安全构成潜在威胁[8~10].此外, 微塑料会干扰营养元素的循环过程, 改变植物种子萌发及生长特性, 进而影响农作物生长[11, 12].所以, 开展微塑料对作物种子萌发及生长影响的研究意义重大[13].

目前, 关于微塑料对作物种子萌发及生长影响的研究还处于初始阶段.De Silva等[14]研究了聚乙烯微塑料(PE)对扁豆(Lens culinaris)种子萌发和生长的影响, 首次证明了微塑料在作物种子萌发期间对其内部活动的阻碍作用, 主要是由于微塑料颗粒对气孔的物理堵塞所致; Shi等[15]研究发现, 聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)3种微塑料小于或等于500 mg·L-1暴露均可对番茄(Lycopersicon esculentum L.)种子萌发产生抑制作用, 而1 000 mg·L-1暴露抑制较轻; 连加攀等[16]研究发现, 乙烯-乙酸乙烯酯共聚合物(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对小麦(Triticum aestivum L.)种子发芽和生长的影响程度与聚合物类型密切相关; 吴佳妮等[17]研究发现, 不同粒径的聚苯乙烯纳米塑料会对大豆(Glycine max)种子萌发产生不同作用(促进或抑制).已开展的关于微塑料对作物种子萌发与生长影响的研究主要涉及小麦(Triticum aestivum L.)、大豆(Glycine max)、洋葱(Allium cepa)、水芹(Lepidium sativum)和黑麦草(Lolium perenne L.)等作物[18~21], 而针对我国西北代表性农作物玉米(Zea mays L.)的研究很少.

土壤重金属污染是目前主要的环境问题之一.铅(Pb)是土壤中常见的重金属元素, 主要通过大气沉降、含铅废水灌溉、尾矿排放和固体废物堆放等过程进入土壤, 进而对土壤作物及生态系统产生危害[22].重金属和微塑料在土壤中的复合污染时有发生[23, 24], 而目前关于两者复合污染对作物种子萌发与生长影响的研究鲜见报道[25].本文以玉米作为供试作物, 探究Pb和3种微塑料[聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)]不同单一及复合浓度暴露对玉米种子萌发和生长的影响, 通过揭示Pb与微塑料对作物的联合作用, 旨在为微塑料和重金属污染生态风险评估和农田土壤污染的修复提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试玉米种子为五谷704(国审玉2012011, 实测发芽率为98.63%). 30% H2O2和Pb(NO3)2均为分析纯.3种常见微塑料(PE、PP和PVC)均购自于东莞市樟木头志研新材料经营部(过100目筛), 其SEM(FE-SEM, FEI Quanta 450)照片如图 1所示, PE颗粒表面较光滑, 多孔且有裂缝; PP表面有碎片类微小颗粒, 且断裂褶曲变形; PVC表面粗糙, 有大小不一的泡状颗粒.

图 1 PE、PP和PVC的SEM图 Fig. 1 SEM images of PE, PP, and PVC

1.2 实验设计

预实验：在培养皿中加入5 mL去离子水, 封盖, 在25℃、12 000 lx光照培养12 h, 20℃、无光照培养12 h, 交替连续培养7 d.每天用称量法测定并计算培养皿中水的蒸发量.重复3次.得到每天(24 h)水的平均蒸发量为0.45 mL.

单一暴露实验：设5个微塑料处理(100、300、500、1 000和1 500 mg·L-1)[16]和5个Pb浓度(10、20、50、100和150 mg·L-1).选取健康饱满的玉米种子, 经H2O2溶液(1.0%)浸泡30 min后, 水洗3次, 在去离子水中浸泡6 h, 取8粒种子均匀摆放在加入了20 g土壤(取自宁夏师范学院校园0~20 cm表层土壤, 过20目筛)的培养皿(直径为9 cm)中, 加入5 mL微塑料或Pb溶液, 在与预实验相同条件下, 将其置于生化培养箱中, 培养7 d, 每隔24 h补充水分(0.45 mL)以使培养液浓度保持稳定, 记录玉米种子萌发及生长情况.每个处理重复3次.

复合暴露实验：选3个微塑料浓度(100、300和500 mg·L-1)和2个Pb浓度(10 mg·L-1和20 mg·L-1)进行复合暴露实验.将5 mL微塑料和Pb的复合溶液加入培养皿中, 在与单一污染实验相同的条件下进行实验, 记录玉米种子萌发及生长情况.每个处理3次重复.

空白实验(CK)：相同条件下, 用等量去离子水进行玉米种子萌发实验.

1.3 指标测量及计算

种子吐出白色胚芽作为第1 d; 当幼芽长度达到种子长度的一半, 幼根长度与种子长度相等时开始统计发芽数; 在第3 d计算发芽势, 第7 d计算发芽率[26].根和茎的长度用1/10 cm尺子进行人工测量.相关指标的计算公式如下[23]：

式中, Gt为t d内的发芽种子数; Dt为对应的发芽天数.

微塑料和Pb对玉米种子的联合作用判断[27]：

式中, IMPs+Pb、IPb、IMPs和ICK分别为微塑料与Pb复合、Pb单独、微塑料单独和空白处理时玉米种子萌发及生长指标.若ΔI=0, 无交互作用; ΔI>0, 拮抗作用; ΔI < 0, 协同作用.

1.4 数据处理与分析

数据均以平均值±标准偏差(Mean±SD)表示, 分别用SPSS22.0和Origin2021进行统计分析和制图, 用SPSS22.0进行单因素方差分析和多重比较(Duncan检验, 95%置信水平).

2 结果与分析 2.1 单一暴露对玉米种子发芽率的影响

发芽率的大小能直观体现作物种子在污染胁迫下发芽的能力.Pb单一暴露下, 玉米种子的发芽率为11.12%~85.71%, 且总体上随着Pb浓度的升高而减小(图 2). 10 mg·L-1Pb暴露下, 玉米发芽率在第4、6和7 d均高于CK, 但差异不显著; 其他Pb浓度暴露下, 玉米发芽率均显著低于CK, 且Pb浓度越高, 发芽率越小, 说明Pb单一暴露浓度越高, 其对玉米种子发芽的抑制作用越明显.

不同小写字母表示同一时间不同处理间具有显著性差异(P < 0.05), 下同 图 2 Pb和微塑料不同单一浓度暴露下玉米发芽率变化 Fig. 2 Changes in maize germination rate under different single concentrations of lead and microplastics

PE、PP和PVC暴露下, 玉米种子的发芽率分别为86.75%~96.73%、86.72%~96.76%和86.71%~96.74%, 说明供试的微塑料浓度范围暴露下, 大部分玉米种子均可以发芽, 但发芽率的变化趋势因微塑料类型不同各异(图 2).玉米每天的发芽率在100 mg·L-1和300 mg·L-1PE暴露下均较CK变化不显著(第5 d除外), 但在500、1 000和1 500 mg·L-1暴露下均显著降低, 说明PE对玉米种子的发芽影响在100 mg·L-1和300 mg·L-1暴露时轻微, 但随着暴露浓度升高, 变为较强的抑制作用.所有PP浓度暴露下, 玉米种子发芽率均显著小于CK, 300 mg·L-1PP暴露下的玉米发芽率最高, 1 500 mg·L-1下最低.PVC暴露时, 500 mg·L-1暴露下玉米每天的发芽率均为最高, 为86.71%~88.64%; 在发芽后期(第6、7 d), 玉米发芽率在100 mg·L-1和300 mg·L-1PVC暴露下均显著低于CK, 而500、1 000和1 500 mg·L-1暴露下均高于CK, 对玉米种子发芽产生一定的促进作用.总体上看, 相比PP和PE, PVC对玉米种子发芽抑制较轻.

2.2 单一暴露对玉米种子活力的影响

发芽势、发芽指数、活力指数等指标大小变化能反映污染物对作物种子活力的影响程度.玉米种子的发芽指数、发芽势和活力指数均随着Pb浓度的升高而降低, 除10 mg·L-1外, 其余Pb浓度暴露下的3个指标均较CK显著减小(表 1).微塑料单一暴露对玉米种子发芽势的影响总体上表现为抑制作用.PE暴露下, 3个指标总体上随着PE浓度的升高而减小, 但100 mg·L-1和300 mg·L-1PE暴露下较CK变化不显著, 在>300 mg·L-1暴露下变化显著.3个指标总体上随着PP暴露浓度的升高显著降低, 且最大值均出现在300 mg·L-1暴露时.所有PVC浓度暴露下, 玉米种子发芽指数和发芽势较CK均无显著变化, 1 000 mg·L-1和1 500 mg·L-1PVC暴露下的活力指数较CK显著降低.相比PE和PP, PVC对玉米种子活力影响较轻.

表 1 Pb和微塑料不同单一浓度暴露下玉米种子发芽特性的变化 Table 1 Changes in germination characteristics of maize seeds exposed to different single concentrations of lead and microplastics

2.3 单一暴露对玉米种子生长的影响

Pb和微塑料单一暴露对玉米种子根、芽生长的影响随着各自浓度不同而不同(图 3).总体上看, 10 mg·L-1Pb和100 mg·L-1的3种微塑料暴露下玉米种子茎、根长均大于CK, 但随着各自浓度的升高, 玉米茎长和根长逐渐变小.这说明浓度越高, Pb和微塑料单一暴露对玉米种子的生长抑制越强.当暴露浓度最大时, Pb、PE、PP及PVC对玉米茎生长抑制率分别为50.36%、55.67%、4.24%和49.48%, 对根生长抑制率分别达到21.61%、45.17%、49.25%和39.84%.

图 3 Pb和微塑料不同单一浓度暴露下玉米种子茎长和根长变化 Fig. 3 Changes in stem and root length of maize seeds exposed to different concentrations of lead and microplastics

2.4 复合暴露对玉米发芽率的影响

基于单一暴露结果, 复合暴露实验选取的微塑料浓度为：100 mg·L-1(对玉米种子的发芽起促进作用)、300 mg·L-1(较弱的抑制作用)和500 mg·L-1(较强的抑制作用); Pb浓度为：10mg·L-1(促进作用)和20 mg·L-1(抑制作用).

所有复合暴露下, 玉米种子发芽率均小于CK, 但随着发芽时间增长, 发芽率均有所增加(图 4).这说明3种微塑料和Pb的复合暴露均抑制了玉米种子发芽, 但这种抑制作用随着时间增长逐渐减弱.总体上看, 同一Pb浓度下, 玉米发芽率随着PE和PP浓度增加而增加, 但随着PVC浓度增加而减少.PE+Pb暴露时, 玉米每天发芽率在PE(300 mg·L-1)+Pb(20 mg·L-1)暴露下为最小(13.76%~14.42%)(第3 d除外); 在PE(500 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)下最大(34.52%~74.90%).相比其他PE+Pb暴露, PP(100 mg·L-1)+Pb(20 mg·L-1)暴露下的发芽率最小(1.21%~39.33%), PP(300 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)处理下达到最大(3.27%~58.67%)(第2、3 d除外).PVC+Pb暴露时, PVC(500 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)暴露下玉米种子发芽率最小(3.12%~36.73%)(第2、7 d除外), PVC(100 mg·L-1)+Pb(20 mg·L-1)暴露下最大(7.63%~54.93%).10 mg·L-1Pb与PVC复合暴露下玉米发芽率普遍低于20 mg·L-1Pb时复合暴露.

图 4 Pb和微塑料不同复合浓度暴露下玉米发芽率的变化 Fig. 4 Changes in maize germination rate under different combined concentrations of lead and microplastics

2.5 复合暴露对玉米种子活力的影响

3种微塑料和Pb复合暴露下, 玉米种子发芽指数、发芽势和活力指数随着微塑料类型不同而呈现不同的变化趋势(表 2).与CK相比, Pb+PE暴露对发芽指数、发芽势和活力指数均发生显著变化, 3个指标在10 mg·L-1 Pb处理下均随着PE浓度增加而增大, 在20 mg·L-1 Pb处理下随PE浓度增加先减后增.PP+Pb和PVC+Pb暴露下, 3个指标均较CK无显著变化, 且随着PP和PVC浓度增加总体上呈现升高趋势.

表 2 Pb和微塑料不同复合浓度暴露下玉米种子发芽特性的变化 Table 2 Changes in germination characteristics of maize seeds exposed to different combined concentrations of lead and microplastics

2.6 复合暴露对玉米种子生长的影响

玉米种子茎长和根长在10 mg·L-1Pb暴露时均随着PE浓度增加而增大, 在20 mg·L-1 Pb暴露下随着PE浓度增大先减小后增大(图 5).当PE浓度为500 mg·L-1时, 两种Pb浓度暴露均显著促进玉米茎和根的生长.相比其他PP+Pb暴露, PP(300 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)暴露下玉米根和茎长均达到最大, 分别为60.20 mm和57.7 mm. Pb+PVC暴露下, 除PVC(100 mg·L-1)+Pb(20 mg·L-1)与PVC(500 mg·L-1)+Pb(20 mg·L-1)处理, 其他处理暴露均抑制了玉米茎的生长; PVC(500 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)暴露下, 玉米茎长和根均为最小, 分别为22.82 mm和15.78 mm.

图 5 Pb和微塑料不同复合浓度暴露下玉米种子茎长和根长的变化 Fig. 5 Changes in stem length and root length of maize seeds exposed to different concentrations of lead and microplastics

3 讨论 3.1 单一暴露对玉米种子发芽及生长的影响

玉米是西北主要的经济作物之一, 其大部分种植采用覆膜方式, 玉米种子发芽与生长势必会受到土壤中微塑料的影响[28].发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数是种子发芽实验的重要指标, 常用于反映作物种子的质量和发芽能力[29, 30].Pb对作物种子发芽及生长影响的研究已有大量报道, 于雄胜等[31]研究发现, 谷子的发芽势、发芽率和发芽指数均与Pb暴露浓度呈显著负相关; 段代祥等[32]研究表明, 绿豆种子的发芽率、发芽势、根长及芽长均随着Pb浓度(10~200 mg·kg-1)增加而降低.本研究中, 玉米种子的发芽率总体上随着Pb浓度的增加而减小, 这与以上研究结果相同.此外, 本研究中Pb暴露对玉米种子发芽和生长的影响表现出“低促高抑”的规律(10 mg·kg-1促进, >10 mg·kg-1抑制), 这与杨玲等[33]研究Pb、Zn胁迫对早熟禾和狗牙根种子萌发出苗影响的结果相似.

微塑料对植物种子萌发生长的影响与微塑料聚合物类型密切相关[34, 35].张彦等[18]通过盆栽试验, 探究了PP、PE和可降解塑料(PLA)对小麦种子发芽及生长的影响, 结果发现, 3种微塑料均降低了小麦种子发芽率, 且降低程度随着微塑料类型、粒径和浓度不同而不同, 对小麦种子生长指标的影响因微塑料类型不同而各异.本研究中, 不同的微塑料类型对玉米种子萌发及生长的影响程度不同, 这不仅是由于不同聚合物微塑料表面粗糙程度不同(图 1), 而且是因为不同类型微塑料颗粒表面所带电荷也不同(带正电荷较多颗粒比不带或者带负电荷的颗粒更易附着于表面), 最终使得作物种子根部对微塑料的吸附和吸收能力有较大差别[36, 37].

此外, 在本研究中, 较高浓度(500、1 000和1 500 mg·L-1)PVC暴露对玉米发芽产生一定的促进作用, 可能是由于PVC在高浓度时, 易发生团聚作用, 表面积减小, 减弱了玉米种子对其的吸附和吸收[6].微塑料对玉米种子发芽和生长的抑制作用随着萌发时间的增长逐渐减弱或者消失(PVC), 这可能是因为作物种子萌芽初期急需大量水分, 而微塑料颗粒短时间内大量吸附于种子的表面, 阻滞了种子对水分的吸收, 但随着暴露时间增长, 植物吸取的水分逐渐充足, 微塑料对种子的抑制也逐渐消失[38].

3.2 复合暴露对玉米种子发芽及生长的影响

微塑料能吸附环境中的重金属离子, 通过自身的迁移优势, 加大重金属进入生物体内并发生累积的概率, 从而对生物造成更大毒害[39]; 不同类型的微塑料颗粒带电性、表面的官能团及其它特性的差异性, 使得其对重金属的吸附行为因微塑料类型不同而不同[40, 41].本实验基于单一暴露实验的结果, 选取的100、300和500 mg·L-1这3种微塑料浓度, 10 mg·L-1和20 mg·L-1这2种Pb浓度, 进行复合暴露实验, 同时采用生长净变化量法判定了微塑料和Pb联合作用(表 3).结果表明, 微塑料聚合物类型、浓度以及Pb离子浓度不同, 微塑料和Pb对玉米种子的萌发及生长产生的交互作用不同, 但绝大部分复合暴露均表现为拮抗作用.这说明, Pb和微塑料复合暴露减缓了其各自单一暴露对玉米的毒害作用, 这可能是由于重金属离子被吸附在微塑料上, 或在微塑料表面发生聚集, 减小了其与玉米种子接触的浓度, 从而降低两者的生物可利用性[27, 42].而PE(100 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)和PP(300 mg·L-1)+Pb(20 mg·L-1)暴露对玉米种子萌发和生长均产生协同作用, 主要是因为微塑料通过吸附作用也能使Pb离子发生富集, 增加了作物的摄入浓度, 加重了污染物毒性效应, 从而表现出协同危害[43, 44].

表 3 微塑料和Pb暴露对玉米种子发芽及生长的交互作用 Table 3 Interaction between micro plastics and lead exposure on maize seed germination and growth

总体上看, 同一Pb浓度暴露下, 100 mg·L-1和300 mg·L-1的PP和PE暴露对玉米种子均表现为协同作用, 500 mg·L-1暴露均表现为拮抗作用.与以上结果相似, DONG等[45]研究发现, 较低浓度(40 mg·L-1)聚苯乙烯减缓了重金属对水稻生长的毒害, 而较高浓度(100 mg·L-1)强化了重金属对水稻生长的抑制.然而, 微塑料和Pb复合暴露对玉米种子萌发和生长的影响不仅与微塑料类型和暴露浓度有关, 还与微塑料粒径大小、实际耕作方式及气候等因素相关, 其机制复杂且尚未明确, 还需进一步深入研究.

4 结论

(1) Pb对玉米种子发芽的抑制作用随着其暴露浓度升高而增强.大部分玉米种子在微塑料单一暴露下均可发芽.100 mg·L-1和300 mg·L-1PE暴露对玉米种子的发芽影响不显著, 而500、1 000和1 500 mg·L-1暴露显著抑制玉米种子的发芽.所有PP浓度暴露对玉米种子发芽均产生显著的抑制作用.总体上看, 相比PP和PE, PVC单一暴露对玉米种子发芽抑制较轻.3种微塑料和Pb的复合暴露均抑制了玉米种子发芽, 且这种抑制作用随着时间增长逐渐减弱.

(2) 总体上看, 玉米种子的发芽指数、发芽势和活力指数均随着Pb及3种微塑料暴露浓度升高而降低.相比PE和PP, PVC对玉米种子活力影响相对较轻.Pb和PE复合暴露下, 玉米种子发芽指数、发芽势和活力指数显著减小, 在PP和Pb、PVC和Pb复合暴露下无显著变化.

(3) 10 mg·L-1Pb和100 mg·L-1的3种微塑料单一暴露对玉米种子根和茎生长产生促进作用, 其他浓度暴露产生抑制作用(浓度越高, 抑制越强).当PE浓度为500 mg·L-1时, 2种Pb暴露均显著促进玉米茎和根的生长.PVC和Pb复合暴露下, PVC(500 mg·L-1)+Pb(10 mg·L-1)处理对玉米种子根和茎生长的抑制作用最大.大多微塑料与Pb复合暴露处理对玉米种子的萌发及生长影响均表现为拮抗作用.

参考文献
[1] Zhang K, Hamidian A H, Tubić A, et al. Understanding plastic degradation and microplastic formation in the environment: a review[J]. Environmental Pollution, 2021, 274. DOI:10.1016/j.envpol.2021.116554
[2] 薄录吉, 李冰, 张凯, 等. 农田土壤微塑料分布、来源和行为特征[J]. 环境科学, 2023, 44(4): 2375-2383.
Bo L J, Li B, Zhang K, et al. Distribution, sources and behavioral characteristics of microplastics in farmland soil[J]. Environmental Science, 2023, 44(4): 2375-2383. DOI:10.13227/j.hjkx.202206082
[3] Ahmed R, Hamid A K, Krebsbach S A, et al. Critical review of microplastics removal from the environment[J]. Chemosphere, 2022, 293. DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.133557
[4] 秦潇, 周颖, 黄艺. 微塑料的人群暴露途径及其健康危害[J]. 生态毒理学报, 2021, 16(5): 221-227.
Qin X, Zhou Y, Huang Y. A review of population exposure routes of microplastics and their possible health hazards[J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2021, 16(5): 221-227.
[5] Sarker A, Deepo D M, Nandi R, et al. A review of microplastics pollution in the soil and terrestrial ecosystems: a global and bangladesh perspective[J]. Science of the Total Environment, 2020, 733. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.139296
[6] 薛向东, 王星源, 梅雨晨, 等. 微塑料对水中铜离子和四环素的吸附行为[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3675-3683.
Xue X D, Wang X Y, Mei Y C, et al. Sorption behaviors of copper ions and tetracycline on microplastics in aqueous solution[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3675-3683. DOI:10.13227/j.hjkx.202002196
[7] 张佳佳, 陈延华, 王学霞, 等. 土壤环境中微塑料的研究进展[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(6): 937-952.
Zhang J J, Chen Y H, Wang X X, et al. A review of microplastics in the soil environment[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(6): 937-952.
[8] 刘鑫蓓, 董旭晟, 解志红, 等. 土壤中微塑料的生态效应与生物降解[J]. 土壤学报, 2022, 59(2): 349-363.
Liu X B, Dong X S, Xie Z H, et al. Ecological effects and biodegradation of microplastics in soils[J]. Acta Pedologica Sinica, 2022, 59(2): 349-363.
[9] 李鹏飞, 侯德义, 王刘炜, 等. 农田中的(微)塑料污染: 来源、迁移、环境生态效应及防治措施[J]. 土壤学报, 2021, 58(2): 314-330.
Li P F, Hou D Y, Wang L W, et al. (Micro)plastics pollution in agricultural soils: sources, transportation, ecological effects and preventive strategies[J]. Acta Pedologica Sinica, 2021, 58(2): 314-330.
[10] 许学慧, 胡海娜, 陈颖. 聚乙烯微塑料对大豆生长的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2021(6): 262-268.
Xu X H, Hu H N, Chen Y. Study on the effect of polyethylene microplastics on soybean growth[J]. Soils and Fertilizers Sciences in China, 2021(6): 262-268.
[11] De Souza Machado A A, Kloas W, Zarfl C, et al. Microplastics as an emerging threat to terrestrial ecosystems[J]. Global Change Biology, 2018, 24(4): 1405-1416. DOI:10.1111/gcb.14020
[12] Horton A A, Walton A, Spurgeon D J, et al. Microplastics in freshwater and terrestrial environments: evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities[J]. Science of the Total Environment, 2017, 586: 127-141.
[13] Guo M, Zhao F R, Tian L W, et al. Effects of polystyrene microplastics on the seed germination of herbaceous ornamental plants[J]. Science of the Total Environment, 2022, 809. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.151100
[14] De Silva Y S K, Rajagopalan U M, Kadono H, et al. Effects of microplastics on lentil (Lens culinaris) seed germination and seedling growth[J]. Chemosphere, 2022, 303. DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.135162
[15] Shi R Y, Liu W T, Lian Y H, et al. Phytotoxicity of polystyrene, polyethylene and polypropylene microplastics on tomato (Lycopersicon esculentum L.)[J]. Journal of Environmental Management, 2022, 317. DOI:10.1016/j.jenvman.2022.115441
[16] 连加攀, 沈玫玫, 刘维涛. 微塑料对小麦种子发芽及幼苗生长的影响[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(4): 737-745.
Lian J P, Shen M M, Liu W T. Effects of microplastics on wheat seed germination and seedling growth[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2019, 38(4): 737-745.
[17] 吴佳妮, 杨天志, 连加攀, 等. 聚苯乙烯纳米塑料(PSNPs)对大豆(Glycine max)种子发芽和幼苗生长的影响[J]. 环境科学学报, 2020, 40(12): 4581-4589.
Wu J N, Yang T Z, Lian J P, et al. Effects of polystyrene nanoplastics (PSNPs) on seed germination and seedling growth of soybean (Glycine max)[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020, 40(12): 4581-4589.
[18] 张彦, 窦明, 邹磊, 等. 不同微塑料赋存环境对小麦萌发与幼苗生长影响研究[J]. 中国环境科学, 2021, 41(8): 3867-3877.
Zhang Y, Dou M, Zou L, et al. Effects of different microplastics occurrence environment on seed germination and seedling growth of wheat (Triticum aestivum L.)[J]. China Environmental Science, 2021, 41(8): 3867-3877.
[19] Mondal N K, Kundu S, Debnath P, et al. Effects of polyethylene terephthalate microplastic on germination, biochemistry and phytotoxicity of Cicer arietinum L. and cytotoxicity study on Allium cepa L[J]. Environmental Toxicology and Pharmacology, 2022, 94. DOI:10.1016/j.etap.2022.103908
[20] Pflugmacher S, Tallinen S, Kim Y J, et al. Ageing affects microplastic toxicity over time: effects of aged polycarbonate on germination, growth, and oxidative stress of Lepidium sativum[J]. Science of the Total Environment, 2021, 790. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.148166
[21] Li H X, Lu X Q, Wang S Y, et al. Vertical migration of microplastics along soil profile under different crop root systems[J]. Environmental Pollution, 2021, 278. DOI:10.1016/j.envpol.2021.116833
[22] 肖文丹, 叶雪珠, 张棋, 等. 基于稳定同位素与多元素的土壤铅污染源解析[J]. 中国环境科学, 2021, 41(5): 2319-2328.
Xiao W D, Ye X Z, Zhang Q, et al. Source apportionment of lead pollution in soil based on the stable isotope and multi element characteristics[J]. China Environmental Science, 2021, 41(5): 2319-2328.
[23] 王俊杰, 陈晓晨, 李权达, 等. 老化作用对微塑料吸附镉的影响及其机制[J]. 环境科学, 2022, 43(4): 2030-2038.
Wang J J, Chen X C, Li Q D, et al. Effects of aging on the Cd adsorption by microplastics and the relevant mechanisms[J]. Environmental Science, 2022, 43(4): 2030-2038.
[24] Fu Q M, Tan X F, Ye S J, et al. Mechanism analysis of heavy metal lead captured by natural-aged microplastics[J]. Chemosphere, 2021, 270. DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.128624
[25] Ogo H A, Tang N, Li X W, et al. Combined toxicity of microplastic and lead on submerged macrophytes[J]. Chemosphere, 2022, 295. DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.133956
[26] 姚伦富, 文科元, 黄锦涛, 等. 重金属镉、铅及其复合污染对玉米种子萌发及幼苗生长的影响[J]. 现代农业科技, 2014(24): 21-22.
Yao F L, Wen K Y, Huang J T, et al. Effects of heavy metal cadmium, lead and their combined pollution on seed germination and seedlings growth of maize[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2014(24): 21-22.
[27] 王泽正, 杨亮, 李婕, 等. 微塑料和镉及其复合对水稻种子萌发的影响[J]. 农业环境科学学报, 2021, 40(1): 44-53.
Wang Z Z, Yang L, Li J, et al. Single and combined effects of microplastics and cadmium on the germination characteristics of rice seeds[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2021, 40(1): 44-53.
[28] 丁峰, 赖金龙, 季晓晖, 等. 聚乙烯微塑料对玉米根际土壤微生物群落结构的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(6): 970-978.
Ding F, Lai J L, Ji X H, et al. Effects of polyethylene microplastics on the microbial community structure of maize rhizosphere soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(6): 970-978.
[29] 谢文辉, 黄莉娟, 赵丽丽, 等. 钙盐胁迫对3份葛藤种质种子萌发及幼苗生理特性的影响[J]. 草业学报, 2022, 31(7): 220-233.
Xie W H, Huang L J, Zhao L L, et al. Effects of calcium salt stress on seed germination and seedling physiological characteristics of three Pueraria lobata germplasm lines[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(7): 220-233.
[30] 黄斌, 李文科, 孙敏涛, 等. 复硝酚钠对低温下黄瓜种子萌发和幼苗耐寒性的影响[J]. 核农学报, 2022, 36(4): 845-855.
Huang B, Li W K, Sun M T, et al. Effect of compound sodium nitrophenolate on seed germination and seedling cold tolerance of cucumber under low temperature[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2022, 36(4): 845-855.
[31] 于雄胜, 江振岳, 张文英, 等. 谷子萌发及苗期生理生化指标对铅胁迫的响应[J]. 南方农业学报, 2022, 53(3): 795-802.
Yu X S, Jiang Z Y, Zhang W Y, et al. The germination of foxtail millet seeds and the physiological and biochemical indexes of its seedlings in responses to lead stress[J]. Journal of Southern Agriculture, 2022, 53(3): 795-802.
[32] 段代祥, 刘俊华. 重金属铅胁迫对绿豆种子萌发及幼苗生长的抑制效应[J]. 种子, 2021, 40(1): 84-87, 98.
Duan D X, Liu J H. Inhibitory effects of plumbum (Pb) stress on seed germination and seedling growth of mung bean[J]. Seed, 2021, 40(1): 84-87, 98.
[33] 杨玲, 张勇, 吴洪娇, 等. 铅锌胁迫对早熟禾和狗牙根种子出苗和幼苗生长的影响[J]. 云南农业大学学报, 2013, 28(3): 405-410.
Yang L, Zhang Y, Wu H J, et al. Effect of lead and zinc stress on emergence and seedling growth of Poa annua and Cynodon dactylon[J]. Journal of Yunnan Agricultural University, 2013, 28(3): 405-410.
[34] Tan W J, Peralta-Videa J R, Gardea-Torresdey J L. Interaction of titanium dioxide nanoparticles with soil components and plants: current knowledge and future research needs-a critical review[J]. Environmental Science: Nano, 2018, 5(2): 257-278.
[35] Khalid N, Aqeel M, Noman A. Microplastics could be a threat to plants in terrestrial systems directly or indirectly[J]. Environmental Pollution, 2020, 267. DOI:10.1016/j.envpol.2020.115653
[36] 刘蓥蓥, 张旗, 崔文智, 等. 聚乙烯微塑料对绿豆发芽的毒性研究[J]. 环境与发展, 2019, 31(5): 123-125.
Liu Y Y, Zhang Q, Cui W Z, et al. Toxicity of polyethylene microplastics to seed germination of mung bean[J]. Environment and Development, 2019, 31(5): 123-125.
[37] Bosker T, Bouwman L J, Brun N R, et al. Microplastics accumulate on pores in seed capsule and delay germination and root growth of the terrestrial vascular plant Lepidium sativum[J]. Chemosphere, 2019, 226: 774-781.
[38] Lang M F, Yu X Q, Liu J H, et al. Fenton aging significantly affects the heavy metal adsorption capacity of polystyrene microplastics[J]. Science of the Total Environment, 2020, 722. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.137762
[39] Khalid N, Aqeel M, Noman A, et al. Interactions and effects of microplastics with heavy metals in aquatic and terrestrial environments[J]. Environmental Pollution, 2021, 290. DOI:10.1016/j.envpol.2021.118104
[40] 褚献献, 郑波, 何楠, 等. 微塑料与污染物相互作用的研究进展[J]. 环境化学, 2021, 40(2): 427-435.
Chu X X, Zheng B, He N, et al. Progress on the interaction between microplastics and contaminants[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(2): 427-435.
[41] Gao X, Hassan I, Peng Y T, et al. Behaviors and influencing factors of the heavy metals adsorption onto microplastics: a review[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 319. DOI:10.1016/j.jclepro.2021.128777
[42] Gao M L, Bai L S, Li X T, et al. Effects of polystyrene nanoplastics on lead toxicity in dandelion seedlings[J]. Environmental Pollution, 2022, 306. DOI:10.1016/j.envpol.2022.119349
[43] 顾馨悦, 徐修媛, 咸泽禹, 等. 老化聚氯乙烯微塑料与镉对小麦的联合毒性[J]. 环境化学, 2021, 40(9): 2633-2639.
Gu X Y, Xu X Y, Xian Z Y, et al. Joint toxicity of aged polyvinyl chloride microplastics and cadmium to the wheat plant[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(9): 2633-2639.
[44] Cui Y Y, Zhang Q Y, Liu P, et al. Effects of polyethylene and heavy metal cadmium on the growth and development of Brassica chinensis var. chinensis[J]. Water, Air, & Soil Pollution, 2022, 233(10). DOI:10.1007/s11270-022-05888-z
[45] Dong Y M, Gao M L, Song Z G, et al. Microplastic particles increase arsenic toxicity to rice seedlings[J]. Environmental Pollution, 2020, 259. DOI:10.1016/j.envpol.2019.113892