微塑料与Cd交互作用对小麦种子发芽的生态毒性研究

冯天朕,陈 苏,*,陈 影,刘 颖,张晓莹,晁 雷

微塑料与Cd交互作用对小麦种子发芽的生态毒性研究

冯天朕1,陈 苏1,2*,陈 影1,刘 颖1,张晓莹1,晁 雷2

(1.沈阳大学环境学院,区域污染环境生态修复教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110044；2.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110068)

为探究微塑料、重金属以及二者的交互作用对农作物种子生长特性的影响,选取小麦(L)为实验对象,开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)与重金属镉(Cd)(0,1和5mg/kg)单一及复合污染对种子萌发的影响研究.结果表明,在本实验所设定的条件下,单一Cd污染对小麦种子萌发特性的影响表现为“低促高抑”规律,小麦种子的根长与芽长随着Cd浓度提升均呈抑制趋势.在单一微塑料污染条件下,mPE对小麦种子的发芽率基本表现为“低抑中促高抑”的规律,mPP 对小麦种子发芽率的影响为“低促高抑”.微塑料和Cd复合污染的实验结果表明,与单一微塑料污染对照组相比,微塑料和Cd复合污染会促进小麦根与芽的生长,相比于mPE,复合污染下的mPP对于小麦根长与芽长的促进程度更大,且浓度范围较广(0～1000mg/kg).在Cd浓度为1mg/kg(Cd1)时mPE复合污染的小麦根长、芽长大于Cd浓度为5mg/kg(Cd5)情况下mPE复合污染的长度.在Cd1条件下mPP复合污染的小麦根长、芽长小于Cd5情况下mPP复合污染的长度,微塑料与Cd的复合污染对于芽的影响大于对根的影响.微塑料-Cd复合效应对小麦种子发芽、根长和芽长的影响总体上表现为促进作用,在一定程度上缓解了单一污染物的毒害作用.

微塑料；Cd；复合污染；小麦；种子发芽

微塑料作为一种新型持久性污染物,已有大量研究发现其会对生态环境和各类生物造成危害[1-2].另外,微塑料还可作为载体吸附和富集重金属等污染物,直接或通过食物链传递危害生物体健康,因此微塑料与Cd的复合污染问题也正越来越受到人们的重视[2-4].

近年来野外调查发现,我国土壤中微塑料污染的现象较为严重.在渤海和黄海海滩土壤中,微塑料丰度在1.3～14712.5个/kg[5].同时,在黄土高原,上海、云南、武汉及沈阳的农田土壤,云南河岸森林,黄河三角洲湿地,大辽河流域都存在微塑料污染[6-13].当前报道土壤中微塑料类型与占比各不相同,渤海、黄海沿岸土壤中微塑料主要类型为PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯),这与黄河三角洲湿地、大辽河流域和河套灌区农田土壤中微塑料主要类型相同,均为PE、PP,沈阳周边农田土壤中微塑料PE含量最高,其次为PP、PS[5,11-14].不同区域的微塑料污染种类存在差异,且粒径大小也有显著不同.渤黄海沿岸与上海蔬菜农田深层土壤中微塑料粒径<1mm的部分均占60%左右,武汉城郊菜地土壤中的微塑料粒径50～100μm占35.3%,黄河三角洲湿地芦苇生长点位土壤中微塑料以50μm以下粒径占整体62.50%,大辽河流域土壤中微塑料粒径在100～500μm占19.33%[5,9-12].土壤中除了存在微塑料污染问题,重金属也是我国农田土壤中的典型污染物,因其巨大的环境风险一直受到国内外研究者的广泛关注[15-16].在我国Cd污染耕地面积达1300万hm2,沈阳张士污灌区便是其中的典型地区,其土壤以及生长植物中Cd的含量远高于清洁土壤背景值[16].Cd易被植物吸收并富集,最终通过食物链进入人体,对人类长期利用土壤与农作物种植安全造成严重影响[17-18].在环境回收的微塑料发现其表面吸附多种重金属(如铅、铜、Cd、铬、锰等),但是目前微塑料和重金属之间的相互作用机制未得到足够的重视,复合污染相关研究较少[19-21].

基于我国土壤环境污染现状,微塑料和重金属在土壤生态系统中的共同暴露是不可避免的事实,二者极可能会发生不同的交互作用[21-24].小麦作为典型模式植物,也是我国的代表性农作物.因此,本文采用小麦作为供试植物,以重金属Cd(Cd)和两种土壤中广泛存在的典型微塑料(聚乙烯(mPE)、聚丙烯(mPP))为研究对象,研究其单一及复合污染条件下对小麦种子萌发特性的影响,以便进一步揭示土壤环境中微塑料与Cd的交互作用、了解土壤环境中微塑料与Cd复合污染的环境风险,更有效地控制污染和危害,为微塑料和重金属污染土壤的修复、土壤环境质量基准制定提供科学依据与技术支撑.

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试植物为小麦(,型号:长丰2112,采购于陕西长丰种业有限公司),供试土壤为草甸棕壤(采自沈阳市苏家屯区农田,0～20cm表层土壤),土壤中未检测出微塑料,基本理化性质如下: pH6.55,阳离子交换量为12.26cmol/kg,有机质1.55%,速效氮(80.42mg/kg),速效磷(12.73mg/kg),速效钾(76.91mg/kg),土壤中Cd浓度为0.03mg/kg.过氧化氢(H2O2,30%)分析纯,氯化Cd(CdCl2·2.5H2O)分析纯.实验中所用微塑料粒径均为40～48μm,其中mPE购于西格玛生物试剂公司(CAS号:434272-100g), mPP购买于广弘高分子材料经营部(中国东莞),小麦发芽所用恒温培养箱为上海精宏隔水式电热恒温培养箱GNP-9160.

1.2 实验方法

种子萌发实验采用土培方式,分别加入不同浓度微塑料mPP、mPE以及Cd溶液配置两者单一、复合污染土壤,供试土壤过20目筛,以玻璃培养皿为容器,每皿土壤50.00g.土壤中微塑料mPP、mPE浓度设置均为0,10,50,100,200,500,1000,5000和10000mg/kg,Cd浓度分别为0,1,5mg/kg共27个处理.在土壤加入微塑料以及Cd后充分混匀,平衡一周,每个处理3次重复.采用1.5% H2O2溶液浸泡健康饱满的小麦种子20min,去离子水反复冲洗并浸泡4h后将其沥干备用.选取小麦种子播种于土中,每皿10粒,补充适量的去离子水以补偿蒸发水分,使土壤含水量保持为最大持水量的60%,放置恒温培养箱中(25℃,无光照)培养2d后,计算种子发芽率,测量芽长、根长.

1.3 测量方法

以幼芽达到种子长度一半,根长与种子等长作为发芽标准,2d后统计发芽率、平均根长和芽长.根长度与芽长度用1/10cm尺子人工测量.发芽率、芽伸长(或根伸长)抑制率等指标的计算公式如下:

发芽率(GR)=(2d内供试种子发芽数/供试种子总数)×100% (1)

抑制率＝(对照-处理)/对照×100% (2)

1.4 数据处理与分析

实验数据采用Excel 2010对数据进行处理,结果以(平均值±标准差)表示,采用SPSS 23.0软件对数据进行统计分析,利用单因素方差分析中的LSD多重比较检验不同处理间的结果差异显著性,统计显著性设为<0.05,复合实验采用双因素方差分析.

2 结果与分析

2.1 微塑料和Cd交互作用对小麦发芽率的影响

2.1.1 单一微塑料或Cd污染对小麦种子发芽率的影响 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.在微塑料暴露下,小麦种子的发芽率为 83.3%～100.0%(图1),表明大部分小麦种子在微塑料影响下仍可萌发,不同种类的微塑料对其发芽影响有所差异.在mPE 的暴露下,小麦种子的发芽率基本表现为“低抑中促高抑”的规律.在mPE 浓度较低(10,50和100mg/kg)与较高(5000和10000mg/kg)的条件下对小麦种子的发芽表现出一定的抑制作用;在200mg/kg和500mg/kg mPE浓度下,发芽率高于空白对照组.相比而言,mPP 对小麦种子发芽率的影响为“低促高抑”,在浓度为10mg/kg时,mPP促进了小麦种子的发芽.浓度为 50mg/kg时,发芽率与空白对照组数据基本相同.当浓度升高至100mg/kg及以上时小麦种子的发芽受到抑制.在浓度为1000mg/kg时,mPP对小麦种子的抑制作用达到最大,发芽率仅为83.3%.

在本实验中单一Cd污染对小麦种子发芽率这一指标表现为抑制作用,在Cd浓度为0、1、5 mg/kg时的发芽率分别为96.70%、93.00%与89.70%,由此可知在单一Cd污染条件下小麦种子发芽率随着Cd浓度增高呈下降趋势.

2.1.2 微塑料和Cd复合污染对小麦发芽率的影响 在微塑料与Cd的交互作用下,小麦种子的发芽率为 56.7%～100.0%(图2),表明大部分小麦种子仍可萌发,但不同种类微塑料、不同浓度Cd污染影响下,小麦种子发芽情况差异较大.

如图2(a)所示,mPE与Cd复合污染整体发芽率为56.7%～100.0%.总体而言,除mPE浓度为0外,Cd1实验条件下(Cd浓度为1mg/kg下同)的小麦种子发芽率均大于Cd5 (Cd浓度为5mg/kg下同).在mPE与Cd1的复合污染实验条件下,发芽率为80%～100%.随着mPE浓度提升,在10mg/kg～100mg/kg浓度范围内为促进作用,超过200mg/kg后呈抑制作用.在mPE与Cd5实验条件下,小麦种子的发芽率为56.7%～95.0%.随着mPE浓度的提升发芽率呈明显下降趋势,除mPE浓度为50mg/kg以外,其他mPE浓度条件下的发芽率均低于单一Cd污染条件下发芽率,在浓度为200mg/kg与500mg/kg时抑制程度最大,发芽率仅为56.7%.

图1 单一微塑料暴露下的小麦种子发芽率

柱上字母不同表示处理间差异显著(<0.05),下同

mPP与不同浓度Cd的复合污染条件下小麦种子发芽率如图2(b)所示,整体发芽率为95%～100.0%.与Cd5实验条件相比,在mPP浓度为0和500mg/kg时,mPP与Cd1交互作用下的小麦种子发芽率均大于mPP与Cd5交互作用的发芽率.在mPP与Cd1的复合污染实验条件下,小麦种子的发芽率为96.7%～100%.随着mPE浓度的提升,在10mg/kg～10000mg/kg浓度范围内对小麦种子发芽为促进作用;在mPP与Cd5的复合污染实验条件下,可看出mPP对小麦种子的发芽呈明显的促进作用,仅在mPP浓度为500mg/kg时发芽率为96.7%,其他条件下均为100%.

2.2 微塑料和Cd交互作用对小麦根长的影响

2.2.1 单一微塑料污染对小麦种子根长和根长抑制率的影响 如图3所示,在单一微塑料mPE污染条件下, mPE对小麦根生长起促进作用,具体表现为在mPE浓度较高(>100mg/kg)时促进作用强于mPE浓度低(<50mg/kg),特别的在浓度为5000mg/kg时对小麦根的生长有一定抑制作用.在单一微塑料mPP污染条件下,由图3可知mPP对小麦根的生长影响为促进作用.总体而言,单一微塑料对小麦种子根生长影响相对较小.经数据分析发现:相比于单一mPE微塑料污染,mPP微塑料污染对于小麦根伸长量的影响更为明显,显著性=0.045.在单一微塑料mPE污染条件下,由表3可知,仅在mPE浓度为5000mg/ kg时对小麦根伸长起抑制作用,整体为促进作用.在10mg/kg～500mg/kg浓度范围内,随着mPE浓度升高,mPE对小麦根伸长的促进作用逐渐增强并在500mg/kg时达到峰值,在500mg/ kg～5000mg/kg浓度范围内,随着mPE浓度升高促进作用逐渐减弱并在5000mg/kg时抑制率达到最大值3.7%,在10000mg/ kg浓度条件下mPE又转变为促进作用.

图3 单一微塑料暴露下小麦种子的根伸长

在单一微塑料mPP污染下,由表1可知mPP在浓度小于200mg/kg时小麦根伸长抑制率为负值,表现为促进作用并逐渐增强.在浓度大于200mg/kg后小麦根伸长抑制率随着浓度增加抑制性增强,继而在5000mg/kg和10000mg/kg浓度条件时表现为促进作用.二者比较而言,在50mg/kg～200mg/kg浓度范围,单一微塑料对小麦种子根的伸长影响都为促进作用,但在500mg/kg～5000mg/kg浓度范围内mPE与mPP对小麦根伸长量的影响完全相反.

表1 单一微塑料暴露下小麦种子的根伸长抑制率(%)

2.2.2 单一Cd污染对小麦种子根长的影响 Cd污染对小麦种子的生长特性指标基本表现为“低促高抑”的规律,在单一Cd污染条件下,小麦根长分别为1.07cm(Cd0), 1.77cm(Cd1), 1.68cm(Cd5).可知在Cd浓度为1mg/kg和5mg/kg时,对小麦种子的根长均表现为促进作用,本实验中所采用的Cd浓度未到抑制小麦根伸长的浓度,所以相对于空白处理为促进作用但整体呈下降趋势,与其他学者的研究结果一致[17-18].

2.2.3 微塑料和Cd复合污染对小麦种子根长和根长抑制率的影响 由图4(a)可知,在Cd1与不同mPE浓度下小麦根长小于同浓度mPP小麦根长,差值最大为0.837cm.在mPE与Cd1的复合污染条件下,小麦根长在50～1000mg/kg浓度范围为抑制状态,其他条件下为促进;在mPP与Cd1的复合污染条件下,除50mg/kg与100mg/kg条件外,其余浓度均处于抑制状态.由图4(b)可知,在Cd5实验条件下同浓度mPP小麦根长大于同浓度mPE小麦根长,差值最大1.556cm.在mPE与Cd5交互作用下,小麦根长均处于抑制状态;在mPP与Cd5的复合污染条件下,小麦根长均处于促进状态.总体而言,在微塑料与Cd的复合污染条件下,mPP小麦根长总大于同一Cd浓度影响下mPE的小麦根长.且mPE与Cd1交互作用下小麦根长大于mPE与Cd5交互作用下的小麦根长;在mPP与Cd1交互作用下小麦根长小于mPP与Cd5交互作用下的小麦根长.

由图5可知,在Cd1实验条件下mPE和mPP在50～1000mg/kg浓度范围内,根伸长抑制作用相同,在mPE浓度为100～1000mg/kg时,小麦根伸长抑制率(7.12±3.07)%,在浓度大于5000mg/kg后抑制率反转变为促进作用.在mPP浓度大于200mg/kg时,小麦根伸长抑制率(9.61±3.1)%.在Cd5实验条件下,mPE和mPP根伸长抑制率完全相反.mPE在0～200mg/kg浓度范围内小麦根伸长抑制率随着微塑料浓度的增加而逐渐上升,在mPE浓度大于200mg/kg后下小麦根长抑制率一直保持在(37.95±7.99)%范围内.mPP在全部浓度范围内,小麦的伸长抑制率均为负值,对小麦根伸长起促进作用,在浓度100～5000mg/kg条件下根长抑制率一直保持在(-33.62±5.23)%范围内.

图5 微塑料与Cd复合污染条件下小麦的根伸长抑制率

2.3 微塑料和Cd交互作用对小麦芽长的影响

2.3.1 单一微塑料污染对小麦种子芽长和芽长抑制率的影响 由图6可知,除mPE浓度100mg/kg外, mPE对小麦芽的生长起促进作用,浓度>500mg/kg时,促进作用较强,在微塑料浓度<200mg/kg条件下促进作用较弱,且在浓度为100mg/kg时小麦的芽伸长受到了抑制作用.在单一微塑料mPP污染条件下,由图6可知mPP 对小麦芽的生长影响基本表现为促进作用.但在500,1000mg/kg时mPP 对小麦的芽的伸长有所抑制.二者相比情况下,除了微塑料在500和1000mg/kg浓度条件下单一mPE的影响大于单一mPP的影响,其余浓度条件下均为单一mPP的影响大于单一mPE的影响.

由表2可知,mPE仅在浓度为50mg/kg时对小麦芽伸长起抑制作用,整体为促进作用.在mPE浓度大于500mg/kg后随着浓度升高,芽伸长促进作用减弱,抑制率最小值出现在200mg/kg(-33.3%).在单一微塑料mPP污染条件下,由表5可知mPP 在浓度小于200mg/kg时小麦芽伸长抑制率为负值,该范围内芽长抑制率一直保持在(-6.75±2.15)%.在200与5000mg/kg浓度时小麦芽伸长抑制率随着浓度增加抑制性减弱.mPE与mPP整体比较而言, mPE对小麦种子芽的伸长促进程度比mPP更显著.

图6 单一微塑料暴露下的小麦种子的芽伸长

表2 单一微塑料露下小麦种子的芽伸长抑制率(%)

2.3.2 单一Cd污染对小麦种子芽长的影响 Cd污染对小麦种子的生长特性指标基本表现为“低促高抑”的规律,在单一Cd污染条件下, 小麦芽长分别为0.49cm(Cd0), 0.69cm(Cd1), 0.64cm(Cd5).由此可得在Cd浓度为1和5mg/kg时,对小麦种子的芽长表现为促进作用.

2.3.3 微塑料和Cd复合污染对小麦种子芽长和芽长抑制率的影响 由图7(a)可知在微塑料与Cd交互作用下, Cd1与mPP小麦芽长大于mPE,差值最大0.097cm,最小为0.003cm,仅在10mg/kg浓度下mPE小麦芽长大于mPP.由7(b)可知,Cd5实验条件下,仅0和10mg/kg浓度下mPE小麦芽长大于同浓度mPP,其余浓度下均为mPP小麦芽长大于mPE,差值最大为0.464cm,最小为0.038cm.总体而言,在微塑料与Cd的交互作用下,mPP小麦芽长大于同浓度下mPE小麦芽长的现象占大部分.在mPE与Cd1交互作用下小麦芽长大于mPE与Cd5交互作用下的小麦芽长;在mPP与Cd1交互作用下小麦芽长小于mPP与Cd5交互作用下的小麦芽长.

由图8可知,在Cd1条件下,小麦芽伸长抑制率在mPP与Cd的交互作用下为正值,即抑制作用,且随着mPP浓度增加抑制作用增强,在浓度>500mg/kg时,抑制率为(11.785±0.945)%.除mPE浓度为10mg/kg的复合污染下对小麦的根伸长为促进作用,其余实验条件下根伸长抑制率和变化趋势与mPE相同,在浓度>500时,抑制率为在(18.28±1.18)%.在Cd5条件下,mPE与mPP的小麦的芽伸长除最低与最高两个浓度外抑制率完全相反.抑制率随mPE浓度的增加而上升,除在10mg/kg浓度外,根伸长抑制率均为正值,对小麦芽伸长起抑制作用.在200～1000mg/kg浓度范围内,抑制率保持在(27.785±1.695)%.在mPP浓度为10000mg/kg时根伸长抑制率为正值3.6%,对小麦的芽伸长为抑制作用,其余浓度复合污染条件下均为负值,为促进作用.在100～5000mg/kg浓度范围内,抑制率保持在(-22.835±6.085)%.

图8 微塑料与Cd复合污染1mg/kg和5mg/kg条件下小麦的芽伸长抑制率

3 讨论

植物作为土壤生态系统中的重要组成部分,其生长不可避免地受到土壤环境的影响,小麦作为典型模式植物,通过针对其在微塑料PE、PP与重金属Cd的复合污染条件下的毒理学影响,能够更好地判断与了解微塑料在自然环境中对于植物作用的机理.经研究,将水芹种子暴露在微塑料中水培,种子发芽率明显受到抑制,且粒径大的微塑料的影响更大[25].PP和高密度聚乙烯(HDPE)抑制小麦发芽;低密度聚乙烯(LDPE)、可生物降解塑料地膜碎片对小麦种子生长具有明显的抑制作用,而在本次试验中也出现了在高浓度微塑料污染的情况下发芽率有所下降的情况,与前人研究结果相吻合[26].有学者研究了塑料地膜对小麦种子萌发的影响,结果显示,塑料地膜高添加量(15000mg/kg)明显抑制小麦芽和根的伸长,不仅如此,土壤中的微塑料会损害叶片光合系统,阻碍蛋白质的合成,在本实验中小麦在不同种类高浓度微塑料污染情况下的芽与根伸长抑制率均为正,抑制小麦发芽期的芽和根的伸长,与文献[27-30]结果相同.李贞霞等[31]在通过研究土壤中微塑料和Cd交互作用对黄瓜叶片生理指标的影响发现,在Cd污染存在时,土壤中微塑料对Cd的生物有效性影响具有部分减轻作用,单一的微塑料污染会影响植物的光合系统,其影响机制可能与微塑料粒径等有关,文献[32-33]对土壤中粒径100～154μm的PE与Cd的交互作用对玉米生态毒性研究发现:在微塑料10%(/)浓度下的玉米生物量和叶绿素含量明显降低,土壤中微塑料的存在并未明显引起植物组织中Cd浓度的改变,但是增加了土壤中可提取的Cd含量.在本文中高浓度微塑料(>500mg/kg)与Cd复合的污染条件下,二者表现为拮抗作用,微塑料在一定程度上可以减轻Cd对于植物的污染程度,与文献[24]研究结果一致.某些学者研究表明,土壤中的mPET颗粒可以作为小麦根际中的Zn,Cd和Pb这3种重金属由土壤向根际区转移的载体,有学者发现土壤中微塑料PS的存在可以部分减少小麦叶片中Cd的含量,并减轻Cd对小麦的毒性[31,33,35].结合该研究与本文结果,可推断出微塑料在一定情况下可减缓植物对于土壤内Cd的吸收作用,并在一定程度上缓解Cd对于小麦的毒性效 应.

由此可知,不同种类、浓度的微塑料与土壤中不同浓度的Cd污染的复合作用存在较大差异,微塑料能够富集金属离子,与水环境类似,微塑料在土壤环境中也可以增强污染物对生物体的毒性效应,即抑制小麦种子的根伸长与芽伸长[20].仅以实验中1mg/kg的Cd污染条件为例:在该浓度Cd污染与mPE(500和1000mg/kg)的复合污染条件下可能损害了小麦种子组织,最终导致小麦根与芽伸长受到抑制.此外,微塑料也降低Cd染物对生物体的毒性效应,即促进小麦种子的发芽,如mPP(500和1000mg/kg)在该复合污染条件下,反而促进了小麦种子的根伸长与芽伸长.不同种类的微塑料对重金属Cd的吸附能力具有差异,且对不同浓度的重金属Cd的吸附能力不同,因此推断微塑料与重金属联合作用对植物的作用机理差异较大,仍然需要一步研究.

4 结论

4.1 在一定的浓度范围内(100～10000mg/kg),单一微塑料处理对小麦种子的影响多为抑制作用,mPE对小麦种子的发芽影响表现为“低促高抑”的规律;PP对小麦种子的发芽作用“低抑中促高抑”,在mPP浓度为1000mg/kg时发芽率出现最低值83.3%.

4.2 在本文所设定浓度的Cd胁迫下,单一Cd污染对小麦种子芽长、根长表现为促进的规律,发芽率有所下降,但对小麦种子根伸长的抑制率高于单一微塑料,且1mg/kg条件下小麦种子根长芽长均大于1mg/kg条件下芽长与根长.

4.3 与对照组相比:在复合污染存在时,mPP-Cd复合污染促进小麦种子发芽,而mPE-Cd复合污染抑制其发芽,抑制程度最大条件为Cd5与200mg/ kgmPE复合污染,发芽率仅为56.67%;微塑料-Cd复合污染对小麦种子根长和芽长的影响表现为促进作用,且相对于小麦根的影响,微塑料-Cd复合污染对于芽的影响更为强烈.

4.4 与对照组相比:高浓度mPE(>5000mg/kg)和Cd的复合污染对种子根生长的影响表现为促进作用,mPP与Cd复合污染对小麦根伸长基本表现为抑制作用; mPP和Cd1的复合污染条件下对种子发芽生长的影响表现多为抑制作用,但在Cd5条件下多为促进作用,mPE和Cd的复合污染对种子发芽生长的影响表现绝大部分情况下为抑制作用.

4.5 整体而言微塑料-Cd复合污染对小麦种子发芽率、根长和芽长的生长表现出一定程度的抑制作用;但是与单一污染条件相比较,微塑料与Cd的复合效应对小麦种子发芽、根长和芽长的影响大致表现为促进作用,二者复合污染条件下呈现拮抗作用,在一定程度上缓解了单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

冯天朕(1995-),男,山东聊城人,硕士研究生,主要从事污染土壤生态修复.

2021-09-01

辽宁省自然科学基金资助项目(2019-ZD-0556);辽宁省百千万人才工程项目(2018)

*责任作者, 教授, mailchensu@aliyun.com