聚苯乙烯微塑料对酒用高粱品种“红樱子”种子发芽和幼苗生长的影响

蒋玉婷， 许华杰， 闫松显， 王家秀

(茅台学院， 贵州 仁怀 564500)

微塑料(microplastics, MPs)通常认为是粒径小于5 mm的塑料颗粒，其中，粒径为1～100 nm的又被称为纳米塑料。研究发现，微塑料广泛存在于水体和土壤等环境中，其粒径小且难以降解，本身具有吸附污染物的特性，可作为多氯联苯、农药和重金属等污染物的载体，其极易被生物吞食后积累在食物链中迁移，从而对人体健康形成潜在危害，近年来已作为一种新型污染物被国内外学者广泛关注[1-7]。

目前，农业生态系统中的微塑料污染受到越来越多重视，已有研究证实，微塑料对土壤结构、微生物活性和植物生长产生潜在危害[8-14]。吴佳妮等[15]研究发现，聚苯乙烯纳米塑料的植物毒性与粒径和浓度密切相关，中等浓度( 200 mg/L)对大豆幼苗生长的毒害作用最大。连加攀等[16]研究发现，粒径为50 nm的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、线性低密度聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等3种微塑料能够对小麦种子的发芽和生长产生抑制作用，在0～1 000 mg/L浓度范围内对小麦的根长、芽长、苗长和干重均无显著影响。Giorgetti等[17]研究结果表明，50 nm的聚苯乙烯微球能诱导洋葱细胞毒性(降低有丝分裂指数)、基因毒性(细胞遗传异常和微核的诱导)和氧化损伤。Lian 等[18]研究表明，100 nm 聚苯乙烯塑料在低暴露浓度0.1 mg/L时能显著促进小麦的生物量和叶绿素含量。Jiang等[19]研究发现，100 nm的聚苯乙烯能够干扰蚕豆生长过程中营养物质的运输，并对作物产生遗传毒性，实验中观测到100 nm聚苯乙烯微球对蚕豆的生态毒性要高于5 μm的聚苯乙烯微球。以上研究表明，微塑料对植物生长具有一定的毒害作用，但微塑料对植物的毒性影响研究相对甚少，研究广度和深度有待增强，而关于微塑料对酒用高粱品种“红缨子”的生态毒性研究未见公开报道。

本研究以高粱品种“红缨子”作为研究对象，考虑微塑料的生物毒性与粒径和浓度密切相关，综合微塑料对其他植物生长影响的研究成果，选取两种粒径(0.1 μm和5 μm) 的聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)，研究不同粒径和浓度的PS-MPs对“红缨子”种子发芽和幼苗生长的影响，旨在探讨微塑料对该品种的毒性效应，为后期评估微塑料对植物的毒性效应及作用机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

本试验所用种子由仁怀市聚农科技开发有限公司提供，挑选籽粒饱满、质量相近、无破损的籽粒进行试验。

粒径分别为0.1 μm和5 μm的PS-MPs悬浊液(250 mg/10 mL)，购于天津市倍思乐色谱技术开发中心。

1.2 仪器与设备

SBL-54 DT超声波分散器：上海重逢科学仪器有限公司；LRH-250-Z恒温培养箱：广东省医疗器械厂；DHG-9140 A型干燥箱：常州润华电器有限公司；MS-TS分析天平：梅特勒托利多科技(中国)有限公司；GDN-1000光照培养箱：宁波扬辉仪器有限公司。

1.3 方 法

1.3.1PS-MPs处理浓度的设置

将0.1 μm和5 μm的PS-MPs悬浊液分别稀释为10、50、100、200、400、600 mg/L共6个浓度。在溶液配制过程中，原始悬浊液和配制的悬浮液取样稀释前后均需在超声波分散器中超声30 min进行混匀和分散。

1.3.2发芽试验设计

不同粒径的各浓度分别设置3个重复，对照组选用去离子水培养。选取颗粒均匀饱满的种子，用3% H2O2浸泡消毒30 min，再用去离子水反复冲洗至少3次，以除去种子表面残留的H2O2，然后分别取10 mL配置好的PS悬浮液加入垫有滤纸的玻璃培养皿中(直径9 cm)，随后将清洗干净的种子整齐摆放于滤纸上，每皿15粒。

培养皿置于光照培养箱中，在光12 h/暗12 h条件下进行发芽试验，温度控制在(25±1)℃，培养8 d。培养过程中每天记录高粱种子发芽情况，从第3天开始揭开培养皿盖子并每天补充1～2 mL去离子水进行补充。

1.3.3测量指标及分析方法

每天09:00时记录种子的发芽数量，待第8天用直尺测定高粱幼苗的芽长及根长，并将高粱幼苗置于103 ℃干燥箱内烘干24 h，用天平称重并记录数据。按式(1)～(5)分别计算种子的发芽率(GR)、发芽指数(GI)、活力指数(VI)、发芽势(RE)、平均发芽时间(MGS)和抑制率(IR)。

GR(%)=(b/n)×100%

(1)

GI=∑Gt/Dt

(2)

VI=GI×S

(3)

RE(%)=a/n×100%

(4)

MGS(d)=∑(Gt×Dt)/∑Gt

(5)

式中，a为4 d内发芽种子数；b为8 d内发芽种子数，n为供试种子总数；Dt为发芽日数；Gt为与Dt相对应的每日发芽种子数；S为平均幼苗干重(g/株)。

2 结果与分析

2.1 PS-MPs对试验种子发芽率的影响

发芽率是衡量种子在污染物胁迫下萌发能力强弱的重要指标[20]。由图1可知，粒径0.1 μm和5 μm不同浓度的PS-MPs处理试验种子均从第1天开始发芽，在1～5 d内发芽率迅速增大，第5天后发芽率增长缓慢，8 d后其发芽率均低于对照(ck)。粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs处理，第1天发芽率最低，分别为55.6%(处理浓度100 mg/L)和66.2%(处理浓度10 mg/L)，5 μm PS-MPs 处理高浓度(400 mg/L和600 mg/L)时高于ck，无显著性差异；第2天发芽率最低分别为75.6%(处理浓度10 mg/L、400 mg/L)和68.9%(处理浓度100 mg/L)，高浓度(600 mg/L)均高于ck，无显著性差异；第3天至第8天，200 mg/L时的发芽率最低，不同时间不同浓度的发芽率均略低于ck，无显著差异；第8天，0.1 μm和5 μm的PS-MPs处理种子的发芽率分别在84.4%～93.3%和80.0%～88.9%范围内，均低于ck的发芽率(95.6%)，差异不显著。从整体上看，粒径0.1 μm和5 μm PS-MPs处理高粱种子时，各个处理浓度对发芽率有不同程度的抑制作用但都不显著，整体上对发芽率没有影响。

注：A为粒径0.1 μm的PS-MPs处理；B为粒径5 μm的PS-MPs处理。 图1 不同浓度PS-MPs对红缨子高粱种子发芽率的影响 Fig.1 Effects of PS-MPs of different concentrations on the seed germination rate of Hongyinzi sorghum

由图2可知，在PS-MPs同浓度条件下，粒径0.1 μm PS-MPs处理的发芽率高于粒径5 μm PS-MPs处理，无显著差异。

图2 不同浓度PS-MPs处理8 d对高粱种子发芽率的影响 Fig.2 Effects of PS-MPs of different concentration treatment for 8 days on the seed germination rate of sorghum

上述结果表明，粒径0.1 μm和5 μm PS-MPs处理高粱种子，对发芽率有不同程度抑制作用，但无显著差异，表明大部分高粱种子在PS-MPs影响下仍可萌发，PS-MPs处理对高粱种子的发芽没有影响。

2.2 PS-MPs对红缨子高粱种子活力指标的影响

2.2.1发芽指数

由表1可知，粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs处理时，发芽指数随浓度变化无明显变化，各处理浓度发芽指数总体上均低于ck，无显著性差异；处理浓度100 mg/L时发芽指数最低，为29.6，与ck无显著差异；其余处理浓度发芽指数与ck也无显著差异。整体看，粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs处理时，对高粱种子的发芽指数没有显著影响。

2.2.2活力指数

由表1可知，粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs处理时，活力指数均没有明显的浓度变化趋势。粒径0.1 μm PS-MPs处理时活力指数总体略大于ck，100 mg/L和400 mg/L时活力指数最高，为2.13，与ck无显著差异。粒径5 μm PS-MPs处理时的活力指数总体略低于ck，无显著差异。PS-MPs处理浓度相同时，粒径0.1 μm的活力指数大于粒径5 μm，表明高粱种子的活力指数随着粒径的增大而降低。

表1 PS-MPs对红缨子高粱种子活力指标的影响Table 1 Effects of PS-MPs on the vigor of Hongyingzi sorghum seeds

从整体上看，PS-MPs处理高粱种子时，不同粒径对活力指数的影响不同，0.1 μm表现为增强，5 μm表现为降低，随着粒径的增大，种子活力指数下降。

2.2.3发芽势

发芽势是鉴别种子发芽整齐度的主要指标，其数值越大，发芽势越强。由表1可知，粒径0.1 μm和5 μm PS-MPs处理时，高粱种子的发芽势均无明显变化，各处理种子发芽势均低于ck，无显著差异。同浓度不同粒径的PS-MPs处理时，发芽势随粒径的变化无明显变化。从整体上看，粒径0.1 μm和5 μm PS-MPs处理对高粱种子的发芽势没有影响。

2.2.4平均发芽时间

种子平均发芽时间是发芽速度的量度，其数值越小表明发芽越快。由表1可知，粒径0.1 μm PS-MPs处理的高粱种子平均发芽时间大于粒径5 μm PS-MPs处理。粒径0.1 μm PS-MPs处理时随着浓度的升高平均发芽时间呈先升后降趋势，表现为低浓度延长，中高浓度缩短。10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L时平均发芽时间高于ck，200 mg/L、400 mg/L、600 mg/L时平均发芽时间低于ck，均无显著差异；粒径5 μm PS-MPs处理时，种子的平均发芽时间随着浓度的升高而降低，400 mg/L、600 mg/L时平均发芽时间为1.13 d和1.05 d均小于ck，差异显著(p<0.05)。表明粒径0.1 μm PS-MPs低浓度延长平均发芽时间，高浓度缩短平均发芽时间；5 μm PS-MPs可显著缩短平均发芽时间。

综上所述，PS-MPs对高粱种子的发芽指数、活力指数、发芽势和平均发芽时间影响表现不同，其对于种子活力的影响是各方面综合原因的结果，尽管5 μm PS-MPs在高浓度可显著缩短平均发芽时间，结合高粱种子第1天的发芽率为55.6%～77.8%和最终发芽率80.0%～93.3%，且各粒径处理浓度之间的发芽率与对照(ck)无显著性差异，试验结果说明PS-MPs对高粱种子的活力影响不大。

2.3 PS-MPs对高粱根长、芽长和幼苗生物量的影响

2.3.1根 长

由表2可知，粒径0.1 μm PS-MPs处理时，高粱根长在10 mg/L时略低于ck，但无显著差异，其余处理浓度均高于ck，50 mg/L(p<0.05)、100 mg/L(p<0.05)、200 mg/L(p<0.01)时显著促进高粱根的生长，促增长作用总体表现为，随着浓度的变化先升后降，200 mg/L时高粱根长最长，为5.68 cm，表明粒径0.1 μm PS-MPs对高粱根长有显著促进作用。粒径5 μm PS-MPs处理时，高粱根长无明显的变化趋势，比ck组根长略微降低但较为接近，600 mg/L根长最短为1.54 cm，无显著差异，表明粒径5 μm PS-MPs处理对红缨子高粱根长的增长有轻微的抑制作用。

表2 PS-MPs对高粱根长、芽长和幼苗生物量的影响Table 2 Effects of PS-MPs on root length,buds length,biological amount the vigor of sorghum seeds

粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同浓度处理时，0.1 μm处理的高粱根长总体均大于5 μm处理，50～600 mg/L处理浓度均存在显著差异，表明随着粒径增大，对高粱根长增长表现为显著抑制作用。

2.3.2芽 长

粒径0.1 μm PS-MPs处理时，高粱芽长均高于ck，在50 mg/L(p<0.05)、100 mg/L(p<0.01)、200 mg/L(p<0.05)时显著促进高粱芽长的增长，促增长作用总体表现为随着浓度的变化先升后降，100 mg/L时高粱芽长最长，为5.93 cm，表明0.1 μm PS-MPs对高粱芽长增长有显著促进作用。粒径5 μm的PS-MPs处理时，高粱芽长与ck无显著差异，也无明显的浓度变化趋势。400 mg/L时芽长为最小值(3.93 cm)，小于ck，50 mg/L时芽长最大值(5.01 cm)，大于ck，均无显著差异，表明粒径5 μm PS-MPs处理对芽长的增长影响不大。

粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同浓度处理时，0.1 μm处理高粱芽长总体均大于粒径5 μm处理，100 mg/L时存在显著性差异，表明随着粒径的增大，对高粱芽长增长表现为显著抑制作用。

2.3.3幼苗生物量

粒径0.1 μm PS-MPs处理时，红缨子高粱幼苗生物量均高于ck，无显著差异。5 μm PS-MPs处理时，红缨子高粱幼苗生物量均低于ck，幼苗生物量变化较小，无显著性差异。粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同浓度处理时，粒径0.1 μm处理的红缨子高粱幼苗生物量总体均大于5 μm处理，表明随着粒径的增大，对红缨子高粱幼苗生物量增长表现为抑制作用。综合表明，不同浓度不同粒径的PS-MPs处理，对红缨子高粱幼苗生物量无显著影响。

3 讨 论

3.1 PS-MPs对红缨子高粱种子萌发的影响

本研究表明，红缨子高粱种子经粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同浓度处理后，其发芽率与ck无显著差异。对种子活力指标影响表现不尽相同，总体表现为粒径0.1 μm处理的发芽指数、活力指数、发芽势高于粒径5 μm，无显著性差异，但平均发芽时间表现为随着粒径和浓度的增大而缩短，粒径5 μm处理下，在高浓度(400、600 mg/L)时有显著促进作用，其他与ck无显著差异。从整体来看，PS-MPs处理对红缨子高粱种子的萌发无显著影响。王伟等[21]研究表明，纳米材料(氧化石墨烯)对紫花苜蓿种子萌发率影响较小，和ck差异不显著；Bosker等[22]研究表明，在暴露24 h后，50、500、4 800 nm的3种粒径的微塑料对水芹的发芽率没有影响；赵梦赛[23]研究表明，在不同浓度的纳米塑料处理下，对水稻种子的发芽率、发芽势、活力指数和发芽指数等没有显著影响，本研究结果与之相似。FOOLAD等[24]研究认为，一些植物具有特殊的耐胁迫基因，使种子在一定的环境胁迫下萌发速率维持稳定甚至变快。本研究发现，PS-MPs处理下，红缨子高粱种子的发芽率最终没有明显变化，说明其可能对PS-MPs具有一定的耐胁迫性。

3.2 PS-MPs对红缨子高粱根长、芽长和幼苗生物量的影响

粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同浓度处理后，对红缨子高粱根长、芽长和幼苗生物量影响不同。本研究发现，粒径0.1 μm PS-MPs处理对红缨子高粱根长、芽长生长有显著的促进作用，根长、芽长总体表现为随着浓度的变化为先升后降；粒径5 μm PS-MPs处理时根长、芽长与ck无显著差异，随浓度变化趋势不明显。PS-MPs处理后红缨子高粱幼苗生物量与ck无显著差异，幼苗生物量随着粒径的增大而减小，0.1 μm PS-MPs处理后其幼苗的干重均高于ck。原因可能是在PS-MPs处理下，红缨子高粱种子内部受到一定的刺激，激活了种子细胞中某些(种)酶的活性，从而刺激其营养生长；或是PS-MPs对种子来说是一种物理胁迫，颗粒越小，越容易聚集在种子、根系表皮从而堵塞孔隙，使其根部物质吸收受到阻塞，抑制了根部的吸收性能，不利于种子进行呼吸作用，导致种子作出应激反应，刺激根系生长，扩大根部的接触面积[25]；或Hong等[26]研究发现，纳米TiO2能提高叶绿体类囊体膜上Mg2+-ATPase 的活性，因此，推测粒径0.1 μm PS-MPs能够作用于植物的光系统促进植物生长；刘顿等[27]研究表明，纳米材料(氧化石墨烯)浓度在50～200 mg/L范围内时，对紫穗槐种子的幼苗生长有明显的促进作用；本研究结果与之相似，虽纳米材料(氧化石墨烯)与微(纳)米塑料性质有所区别，考虑同为微(纳)米颗粒，两者存在一定的共性。Alimi等[28]研究发现，微塑料极易出现团聚现象，形成尺寸较大的团聚体，阻碍植物对其的吸收，且比表面积的降低也减少了种子与微塑料之间的接触面积，这或许是PS-MPs处理红缨子高粱种子萌发后根长、芽长随着浓度的变化先升后降的原因。

4 结 论

粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs不同浓度处理，最终发芽率为80.0%～93.3%，对高粱种子的萌发无影响。对活力指标发芽指数、活力指数、发芽势、平均发芽影响不同，总体表现为粒径0.1 μm处理的发芽指数、活力指数、发芽势高于粒径5 μm，无显著性差异，但平均发芽时间表现为随着粒径和浓度的增大而缩短，粒径5 μm高浓度400 mg/L和600 mg/L时可显著缩短发芽时间，但这种影响较为短暂，总体表现为对高粱种子的活力影响不明显。

粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs对高粱根长和芽长的生长总体表现为随着浓度的变化先升后降，0.1 μm的PS-MPs处理后能显著促进根与芽生长，高浓度由于团聚的原因对高粱根系的刺激效应减弱。粒径0.1 μm 和5 μm PS-MPs对高粱幼苗生物量影响不明显，0.1 μm PS-MPs处理后其幼苗生物量高于ck和5 μm PS-MPs处理。