微塑料与镉及其复合对小麦种子发芽的影响

王晓晶，杨毅哲，曹阳，张东明，代允超，吕家珑*

（1.西北农林科技大学资源环境学院，农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.陕西省耕地质量与农业环境保护工作站，西安 710000）

随着塑料制品的大规模生产和广泛应用，越来越多的塑料进入自然环境[1]。塑料碎片在紫外线和氧气的作用下，以及风浪的物理作用下变得脆碎，逐渐降解为微米级和纳米级的颗粒，这些粒径小于5 mm的固体颗粒被称为微塑料[1]。许多研究证实了全球范围内在海洋[2]、沉积物[3]、淡水[4]、地下水[5]和土壤[6]环境中都存在微塑料，这些微塑料的主要成分包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[7]等。微塑料污染已经成为水生生态系统的威胁，也极有可能成为陆地生态系统的新威胁。

微塑料本身及其负载的毒性会对环境中的植物产生影响[8]。有研究发现，低密度聚乙烯和聚丙烯均不利于小麦生长，但微塑料和镉的复合效应在一定程度上降低了微塑料的毒性[9]。微塑料对植物的毒性机制之一是微塑料黏附在植物根系上造成根表孔堵塞，从而影响根系对养分的吸附[10]。纳米塑料的吸收和积累可能会影响植物的生理生化和代谢。例如，高浓度（2.7 g·kg-1）聚氯乙烯抑制大豆根系活力，但随着其添加量的增加，大豆超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性反而升高[11]。同时，聚乙烯和可降解塑料地膜能促进树莓植株的生长和产量的增加[12]。这些发现表明微塑料的毒性可能与其种类、粒径和浓度有关。

除微塑料外，我国的土壤也受到了重金属的严重污染，其中镉为首要污染物，据统计，我国镉污染土壤面积高达20 万km2[13]。研究表明，土壤中镉的浓度远超标准值，全国大约有1 300 万hm2的耕地被镉污染[14]。水中重金属主要来自工业排放、金属开采、化肥和农药的不当使用以及大气沉降[15]。土壤重金属积累可能破坏酶的活性，影响土壤基本理化性质和微生物种类等，最终影响植物的生长[16]。此外，在土壤中越积越多的重金属会转化为具有强毒性的甲基化合物，并沿着食物链进行流动，最终威胁人类健康[17]。

许多研究表明微塑料对重金属具有吸附作用。例如，Cu2+、Ni2+和Ag+可以吸附在聚氯乙烯微塑料表面[18]。研究发现，微塑料对镉的吸附与微塑料表面的官能团、溶液pH 值和离子强度密切相关[19]。微塑料可能对吸附在其上的污染物起到“载体”作用，从而将重金属污染物运入植物体内。Abbasi 等[20]的研究证明聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒可以作为载体将重金属运输到根际区域。当与微塑料共存时，植物中其他污染物的毒性效应也可能增强[21]。镉-微塑料组合（聚苯乙烯、聚对苯二甲酸类塑料）对水稻种子萌发的抑制作用大于单一微塑料或重金属镉[22]。然而，一些研究发现微塑料能够降低或不影响重金属镉的毒性效应，例如：李贞霞等[23]证实聚氯乙烯微塑料能够缓解镉对黄瓜根系活力的影响；顾馨悦等[24]在研究老化聚氯乙烯与镉对小麦联合毒性的实验中发现，原始和老化的聚氯乙烯微塑料不影响镉对小麦叶的毒性。

近年来，有关重金属对小麦种子发芽影响的研究已被大量报道，但在微塑料与重金属复合暴露的条件下，对小麦种子萌发影响的研究较少。基于我国目前的国情与土壤污染现状，微塑料与镉极可能会发生交互作用，从而影响作物生长。因此本研究以小麦（Triticum aestivumL.）为研究对象，选取农业土壤中普遍存在的两种微塑料[聚苯乙烯（mPS）、聚氯乙烯（mPVC）]与重金属镉（Cd）为试材，探究微塑料和镉污染对小麦种子发芽和幼苗生长的影响，并进一步了解农业土壤中微塑料与镉污染对小麦的影响，以防范重金属镉与微塑料的复合作用对人体及生态环境造成损害，为有序推进农用土壤污染风险管控与修复提供理论依据和科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验小麦种子为垦星5 号，购买于陕西某种子商店。过氧化氢（H2O2，30%）与氯化镉（CdCl2·2.5H2O）均为分析纯。从广东恒发塑化厂购买粒径为100µm的微塑料聚苯乙烯（mPS）与聚氯乙烯（mPVC）。

1.2 试验设计

悬浮液制备：在超纯水中分别加入一定量的mPS、mPVC，定容于容量瓶，20 ℃左右的水浴中超声30 min（600 W，40 kHz），使微塑料均匀悬浮分散于超纯水，制成悬溶液备用。在试验前需再次进行超声波振荡10 min，确保mPS、mPVC均匀分散于超纯水中。

将试验小麦种子在2% H2O2溶液中浸泡30 min，超纯水冲洗多次以去除种子表面残留的H2O2，并浸泡在超纯水中4 h 后沥干待用。将15 粒小麦种子摆放于垫有两张定性滤纸的培养皿（直径为9 cm）中。本试验镉暴露浓度参考祝社民[25]的研究，微塑料浓度设置参考吴佳妮等[26]的研究。

单一污染试验：在上述培养皿中分别加入5 mL浓度为100、500 mg·L-1与1 000 mg·L-1的微塑料（mPS与mPVC）悬浮液；2、10 mg·L-1与50 mg·L-1的镉溶液。所有处理设置3 次重复。将浸泡好的种子均匀摆放于滤纸上，每皿15粒。

复合污染试验：两种微塑料浓度为100 mg·L-1和500 mg·L-1，镉浓度为2 mg·L-1和10 mg·L-1。试验设置8 个处理：100 mg·L-1mPS+2 mg·L-1Cd、100 mg·L-1mPVC+2 mg·L-1Cd、500 mg·L-1mPS+2 mg·L-1Cd、500 mg·L-1mPVC+2 mg·L-1Cd、100 mg·L-1mPS+10 mg·L-1Cd、100 mg·L-1mPVC+10 mg·L-1Cd、500 mg·L-1mPS+10 mg·L-1Cd、500 mg·L-1mPVC+10 mg·L-1Cd。在上述培养皿中分别加入5 mL 微塑料和镉的复合溶液，每个处理重复3 次。

对照（CK）组：用等量的超纯水在相同条件下进行培养，3次重复。

在25 ℃，湿度70%的条件下，将处理好的培养皿置于恒温恒湿培养箱（HWM-358）无光照环境中，培养7 d。于每天20：00 记录小麦种子的萌芽情况，每隔24 h 开启培养皿并补充适量的超纯水以补充蒸发的水分，维持培养液的浓度不变。

微塑料吸附动力学试验：分别称取0.1 g mPS 和mPVC 于250 mL 的锥形瓶中，再分别加入200 mL 浓度为2 mg·L-1和10 mg·L-1的镉溶液，即试验设置的4个处理为mPS+2 mg·L-1Cd、mPVC+2 mg·L-1Cd、mPS+10 mg·L-1Cd、mPVC+10 mg·L-1Cd。25 ℃条件下于恒温振荡器中振荡，平衡一定时间后测定过滤液中镉浓度，所有处理均设置3次重复。

1.3 测定指标及方法

以幼芽达到种子长度一半，根长与种子等长作为发芽标准。记录小麦种子每天的发芽数，7 d 后计算发芽率、平均根长与芽长，并将小麦幼苗置于103 ℃烘箱中烘干24 h至质量恒定，用天平称量记录。种子根长与芽长用1/10 cm尺子人工测量。相关指标的计算公式如下：

式中：qe为镉的吸附量，mg·g-1；C0为镉的初始浓度，mg·L-1；Ce为镉的平衡浓度，mg·L-1；V为溶液体积，L；m为微塑料的用量，g。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016、SPSS 23.0对数据进行统计分析，数据的差异显著性通过SPSS 23.0 软件运用单因素ANOVA 检验。试验结果以平均值±标准偏差（Mean±SD）表示，运用Duncan法对各处理间的差异性进行多重比较。使用Origin 2021软件对统计结果制图，使用PS CS5.1对小麦发芽图片进行处理。

参考王泽正等[22]的方法，通过计算生长净变化量判断微塑料与镉对小麦种子的交互作用。

2 结果与分析

2.1 单一暴露对小麦种子发芽及生长的影响

2.1.1 单一微塑料或镉污染对种子发芽率的影响

不同微塑料处理对小麦种子发芽率的影响如图1所示。总体上看，经微塑料处理后的小麦种子发芽率达93.33%～100%，表明大多数小麦种子在微塑料暴露下仍能萌发。mPS 处理对小麦种子发芽率的影响基本表现为抑制作用（图1a），当mPS 浓度为中高浓度（500 mg·L-1与1 000 mg·L-1）时，第7 天小麦种子的发芽率较对照组分别降低了4.5%与2.3%。而mPVC对小麦种子发芽率的影响总体表现为低促中抑高恢复的规律（图1b）。当微塑料浓度为100 mg·L-1时，小麦种子的发芽率较对照组增加了2.3%；当微塑料浓度为500 mg·L-1时，小麦种子的发芽率较对照组降低了2.3%；而当mPVC浓度达到1 000 mg·L-1时，发芽率与对照组相同。

在重金属镉胁迫下，小麦种子的发芽率与镉浓度呈负相关关系（图1c）。重金属镉处理对小麦种子发芽率的影响基本表现为低促高抑的规律，镉浓度为2 mg·L-1时促进了小麦种子的发芽，当镉浓度升高时（10 mg·L-1和50 mg·L-1）则抑制了小麦种子的发芽。

2.1.2 单一微塑料或镉污染对种子生长特征的影响

以发芽势、活力指数与平均发芽速度等作为指标，表征单一微塑料或重金属镉对小麦生长特征的影响，具体情况如表1 所示。结果显示，不同浓度的mPS均抑制小麦种子的发芽势、平均发芽速度和活力指数。在mPS 浓度为500 mg·L-1时，对小麦种子平均发芽速度、发芽势与发芽指数的抑制作用达到最大。在mPS的胁迫下，小麦种子的发芽指数总体表现为低促中高抑的规律，与对照组相比，mPS对小麦种子发芽指数无显著影响，但中浓度（500 mg·L-1）mPS 与低浓度（100 mg·L-1）mPVC 相比差异显著（P＜0.05），且mPS与mPVC相比，mPS对发芽指数的抑制作用更显著。

表1 单一微塑料及重金属镉对小麦种子生长特征的影响Table 1 Effects of single MPs（mPS，mPVC）and Cd on the growth characteristics of wheat seeds

不同浓度的mPVC 对小麦种子发芽指数、发芽势、平均发芽速度均表现为促进作用。总体而言，在低浓度（100 mg·L-1）时，mPVC 对发芽指数、发芽势与平均发芽速度等指标的促进程度达到最大，但与对照组相比差异不显著（P＞0.05）。在不同浓度的mPVC胁迫下，小麦种子活力指数总体表现为低促中高抑的规律，其中500 mg·L-1的mPVC 对小麦种子活力指数的抑制作用达到最大，但与对照组差异不显著（P＞0.05）；高浓度（1 000 mg·L-1）mPS 与低浓度（100 mg·L-1）mPVC相比差异显著（P＜0.05）。

重金属镉处理总体上抑制小麦种子的平均发芽速度（表1），且镉浓度为50 mg·L-1时，对小麦种子的平均发芽速度抑制程度最大。相较于对照组，重金属镉处理总体上抑制小麦种子的发芽势，镉浓度为50 mg·L-1时，显著抑制了小麦种子的发芽势（P＜0.05）。镉污染对小麦种子的发芽指数与活力指数总体表现为低促高抑的规律（表1）。镉浓度为2 mg·L-1时，促进了小麦种子的发芽指数；当镉浓度增加至10 mg·L-1时，抑制了小麦种子的发芽指数，但促进了小麦种子的活力指数；镉浓度为50 mg·L-1时，对小麦种子的发芽指数与活力指数均表现出抑制作用。与对照组相比，镉浓度在50 mg·L-1时对小麦种子发芽势与活力指数抑制作用显著（P＜0.05）。

2.1.3 单一微塑料或镉污染对幼苗生长的影响

小麦幼苗的生长情况如图2 所示。幼苗的根长与含水率均呈现随mPS 浓度增大而先升高后下降的趋势（图3a 和图3d）。在mPS 暴露下，小麦含水率与对照组相比无显著变化；小麦根长与对照组相比变化也不显著，但中浓度（500 mg·L-1）能促进小麦根长，而高浓度（1 000 mg·L-1）抑制小麦根长，两个浓度间达到显著性差异（P＜0.05）。在mPVC 暴露时，小麦含水率与对照组相比差异不显著，小麦根的生长基本表现为低促高抑的规律。当浓度为500 mg·L-1时，mPS 能增加幼苗的含水量，而mPVC 则减少了幼苗的含水量，且两种微塑料达到显著性差异（P＜0.05）。

图2 单一微塑料与镉胁迫下小麦幼苗生长情况Figure 2 Effects of single MPs（mPS，mPVC）and Cd on seedling growth of wheat

由图3b 可知，mPS 抑制小麦芽的生长，且在高浓度（1 000 mg·L-1）时抑制作用最强，与对照组相比差异显著（P＜0.05）。与mPS对小麦芽生长的影响相反，相较于对照组，mPS 对小麦生物量有促进作用，但促进作用不显著（P＞0.05）。在mPVC 胁迫下，小麦芽的生长总体表现为低促高抑的规律。mPVC 浓度为100 mg·L-1时，对小麦芽的生长表现为促进作用，且与低浓度（100 mg·L-1）mPS 相比差异显 著（P＜0.05）。mPVC 对小麦生物量的影响总体表现为低抑高促的规律（图3c）。

与对照组相比，单施镉对含水率与生物量没有显著影响（P＞0.05）。镉处理对小麦芽与根的影响基本表现为低促高抑的规律（图3a 与图3b），各处理间差异显著（P＜0.05）。具体表现为镉浓度为2 mg·L-1时，促进了小麦根生长但抑制了小麦芽生长；而在镉浓度为10 mg·L-1时，均促进了小麦根与芽的生长；当镉浓度为50 mg·L-1时，对小麦根与芽的抑制作用显著（P＜0.05）。

图3 单一微塑料与镉对小麦根长、芽长、生物量与含水率的影响Figure 3 Effects of single MPs（mPS,mPVC）and Cd on root length,bud length,biomass,and water content of wheat

2.2 微塑料-镉复合污染对小麦种子发芽及生长的影响

2.2.1 微塑料-镉复合污染对种子发芽率的影响

微塑料与镉的复合处理下，小麦种子的发芽率如图4所示。2 mg·L-1的镉溶液与微塑料的复合处理下小麦种子发芽率如图4a 所示，发芽率为91.11%～97.78%。总体而言，低浓度镉溶液（2 mg·L-1）与微塑料的复合作用中，除与500 mg·L-1mPVC 复合污染下，小麦的发芽率与对照组相同外，其余处理抑制了小麦种子的发芽。在镉浓度为2 mg·L-1时，mPS 浓度与发芽率的抑制作用呈正相关关系，而mPVC 浓度与发芽率的抑制作用呈负相关关系。

10 mg·L-1的镉溶液与微塑料的复合处理下小麦种子发芽率如图4b 所示，总体发芽率为93.33%～97.78%。总体而言，中浓度镉溶液（10 mg·L-1）与微塑料的复合作用中，除与500 mg·L-1mPVC 的复合污染抑制了小麦种子的发芽外，其余处理几乎不影响小麦种子的发芽。

图4 微塑料-镉复合效应下小麦种子发芽率随时间的变化Figure 4 Combined effects of MPs-Cd on seed germination rate of wheat

2.2.2 微塑料-镉复合污染对种子生长特征的影响

由表2 可知，微塑料-镉的复合污染总体上促进了小麦种子的发芽指数与平均发芽速度。相比而言，微塑料-镉的复合污染总体上抑制了小麦种子的发芽势与活力指数，仅2 mg·L-1的镉溶液与500 mg·L-1的mPS 溶液、10 mg·L-1的镉溶液与mPS溶液（100 mg·L-1与500 mg·L-1）的复合污染对活力指数起促进作用。mPVC 溶液（500 mg·L-1）与镉（10 mg·L-1）的复合作用和mPS 溶液（500 mg·L-1）与镉（10 mg·L-1）的复合作用对活力指数存在显著差异（P＜0.05）。

相比于单一污染物处理，mPS与镉的复合污染对小麦种子生长特征的影响总体表现为拮抗作用，如对活力指数、发芽指数、发芽势和平均发芽速度均表现为拮抗作用，这表明两种污染物的复合污染缓解了单一污染物对小麦种子生长特征的毒害作用。mPVC与镉的共同胁迫对小麦种子生长特征的影响基本表现为协同作用，即两种污染物（mPVC-镉复合）的污染加剧了单一污染物对小麦种子生长特征的毒害作用。

2.2.3 微塑料-镉复合污染对幼苗生长的影响

小麦幼苗的生长情况如图5 所示。由表3 可知，微塑料-镉复合效应对小麦根长、生物量与含水量的影响基本表现为促进作用，但小麦根长、生物量与含水量与对照组相比没有显著差异（P＞0.05）。相比而言，不同微塑料-镉复合处理对小麦芽长有一定影响。具体表现为低浓度（2 mg·L-1）的镉溶液与微塑料的复合污染对小麦芽的生长基本表现为抑制作用，仅在2 mg·L-1的镉溶液与500 mg·L-1的mPS的复合污染下表现为促进作用；中浓度（10 mg·L-1）的镉溶液与微塑料的复合污染对小麦芽的生长基本表现为促进作用，仅在10 mg·L-1的镉溶液与500 mg·L-1的mPVC 的复合污染下表现为抑制作用。值得注意的是，与对照组相比，2 mg·L-1的镉溶液与100 mg·L-1的mPVC 的复合处理对小麦芽长的抑制作用显著（P＜0.05）。

表3 微塑料-镉复合污染对小麦幼苗生长的交互作用Table 3 Combined effects of MPs and Cd on interaction of wheat seedling growth

相比于单一污染物处理，低浓度的mPVC（100 mg·L-1）与镉溶液的复合处理对根、芽的生长与含水率的影响表现为协同作用，这与表2 中低浓度mPVC微塑料与镉对小麦种子生长特性的协同作用相似。而低浓度的mPS（100 mg·L-1）与镉溶液的复合污染对根与芽的生长为拮抗作用。

3 讨论

本研究观察到，mPS对小麦种子发芽率、生物量、含水量与平均发芽速度没有明显影响。这与研究认为聚苯乙烯微球（0.07～20 µm）对菜心种子发芽与幼苗生长存在显著的毒性作用不一致[27]。这一现象在一项研究中也有发现，聚乙烯微塑料（100 mg·g-1）对绿豆幼苗的生长与水分吸收表现出显著抑制作用[28]。这种差异可能与所研究的微塑料的粒径、浓度与植物种类有关。例如，200 nm PS 微塑料能从根进入莴苣并向茎叶运输，而1 µm 的则不能[29]。HDPE 微塑料（3µm）既不能到达血管系统，也不能转移到枝条[30]。拟南芥（Arabidopsis thaliana）与小麦的共聚焦图像显示，植物对40 nm 与1 µm PS 球没有活性吸收[31]。在本研究中，mPS 的粒径约为100 µm，不能被小麦吸收，这可能解释了其对小麦幼苗的生态效应不显著的原因。此外，虽然粒径太大的微塑料不能被植物吸收，但会影响植物的生物量、组织的元素成分、根系性状以及土壤微生物活性等，从而影响养分的可利用性[32]，进而可能对植物造成伤害。植物对不同尺寸微塑料的吸附量有所差别，因此可以推断不同尺寸的微塑料对植物的影响机制差异较大，这还有待进一步研究。

在本研究中，重金属胁迫不仅影响小麦种子生长特征，而且影响小麦幼苗的生长，但是不同浓度的镉溶液对小麦种子有不同程度的影响。根据张珂等[33]的研究，低浓度（5 mg·L-1）镉对郑麦1354 种子的生长特征有促进作用，高浓度镉会影响郑麦1354 的发芽指数与活力指数，且均随着镉胁迫质量浓度的增加表现出先升高后降低的趋势。刘建新等[34]的研究指出，镉处理对裸燕麦种子的活力指数、胚根长与幼苗干质量的抑制作用随镉浓度增加而增强。以上结论与本研究结果基本吻合。

作为土壤生态系统的重要组成部分，植物的生长必然会受到土壤环境的影响。微塑料对重金属有吸附作用，因此在研究微塑料与重金属的联合作用时，在相同的试验条件下测定了mPS 和mPVC 对镉的吸附量。结果表明：在2 mg·L-1的镉溶液中，mPS 对镉离子的吸附量为0.402 mg·g-1，mPVC对镉离子的吸附量为0.471 mg·g-1；在10 mg·L-1的镉溶液中，mPS对镉离子的吸附量为0.781 mg·g-1，mPVC对镉离子的吸附量为0.813 mg·g-1；mPVC 对镉的吸附量略高于mPS。在本研究中，mPS与镉的复合效应对小麦种子生长特征的影响基本表现为拮抗作用，可能是因为：一方面微塑料吸附了溶液中的游离镉，降低了溶液中镉的浓度；另一方面微塑料在小麦表面积累，与溶液中的镉竞争吸附点位，降低了镉离子对小麦的危害[21，31]。但微塑料与重金属联合作用于生物体时，微塑料可通过吸附作用富集重金属、增加摄入浓度、破坏组织结构、降低自我调控能力等加重重金属对植物的毒害作用[35]，如低浓度mPVC（100 mg·L-1）与低浓度镉（2 mg·L-1）的共同胁迫对小麦种子生长特征的影响表现为协同作用。此外，目前本试验仅采用水培方式，未对微塑料对土壤理化性质的影响及其在土壤中对小麦的影响进行试验。因此，土壤环境中的微塑料与其他污染物的复合毒性对小麦的影响尚不明确，还有待于进一步探讨。

4 结论

（1）在特定的浓度条件下（100～1 000 mg·L-1），单一微塑料处理对小麦种子发芽率的影响总体表现为低促高抑的规律，对活力指数、根长、芽长与含水率的影响多为抑制作用。

（2）镉污染对小麦种子的发芽指数、发芽势、活力指数与平均发芽速度的影响多为抑制作用；镉污染对小麦种子发芽率、根长与芽长的影响总体表现出低促高抑的规律。

（3）与对照组相比，除低浓度（2 mg·L-1）镉与微塑料的复合污染外，其余微塑料与镉溶液的复合对小麦种子发芽率几乎无影响，微塑料-镉的复合污染总体上促进了小麦种子的发芽指数、平均发芽速度和幼苗生长，相比而言，微塑料-镉的复合污染总体上抑制了小麦种子的发芽势与活力指数。

（4）与单一微塑料或镉作用相比，聚苯乙烯（mPS）与镉的复合效应对小麦种子生长特征的影响基本表现为拮抗作用，而聚氯乙烯（mPVC）与镉的共同胁迫对发芽指数和平均发芽速度的影响表现为协同作用；低浓度的mPVC溶液与镉溶液的复合污染对根长、芽长、含水率表现为协同作用，低浓度的mPS 溶液与镉溶液的复合污染对根与芽的生长表现为拮抗作用。