摘"要：【目的】""研究微塑料作用下锌对玉米种子萌发与生长影响。
【方法】""以玉米种子为对象，研究锌（Zn）和3种微塑料［聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）］不同单一及复合处理对玉米种子萌发及其生长的影响。
【结果】""玉米种子发芽率、发芽指数、发芽势、活力指数、茎长和根长总体上均随Zn单一处理浓度升高呈现降低趋势。相比Zn，3种微塑料对玉米种子发芽和生长影响轻微。Zn和微塑料复合处理下，玉米发芽率、玉米发芽指数、发芽势和活力指数均大于相应Zn单一处理。在50 mg/L Zn+100 mg/L PE、50 mg/L Zn+100 mg/L PP、50 mg/L Zn+ 100 mg/L PVC处理下，玉米发芽率分别较50 mg/L Zn单一处理高14.29%、14.29%和9.52%。发芽指数、发芽势、活力指数在100 mg/L Zn+PE100 mg/L PE处理下分别较100 mg/L Zn处理高59.10%、76.91%和131.16%，在50 mg/L Zn+100 mg/L PVC下分别较50 mg/L Zn处理高15.76%、39.53%和15.47%。玉米种子茎和根长在50 mg/L Zn+PE 处理下随着PE浓度增加而增大。对于Zn+PP 处理，玉米茎长均低于相应Zn单一处理，根长在50 mg/L Zn+100 mg/L PE下较50 mg/L Zn高45.35%，在50 mg/L Zn+100 mg/L PP下较50 mg/L Zn高45.20%。在50 mg/L Zn+100 mg/L PVC下最大，较50 mg/L Zn高55.91%。
【结论】""添加较低浓度（100 mg/L）微塑料，能显著提高玉米种子对过量Zn的耐受性，促进种子发芽和生长。
关键词：""微塑料；锌；玉米；种子萌发与生长
中图分类号："S513""""文献标志码："A""""文章编号："1001-4330（2024）11-2713-09
0"引 言
【研究意义】玉米是我国主要的粮食作物［1］。覆膜种植是我国西北地区玉米主要的种植方式，玉米种子发芽与生长会受到土壤微塑料的影响［2］。微塑料是一种新型环境污染物，是指粒径小于5 mm的塑料碎片［3-4］。我国一些地区土壤中有微塑料存在，例如沈阳周边农田土壤中微塑料的浓度为217.30～2 512.18 μg/g［5］；上海浦东新区农田土壤中微塑料的检出率为100%，微塑料丰度范围为65～85 n/kg［6］；西北黄土高原区固原市农田土壤（耕作层）微塑料丰度亦较高［7］。土壤中的微塑料过量会改变土壤结构和性质，影响土壤微生物活动，破坏土壤环境功能，同时会被作物吸收，进而影响作物生产［8-10］。重金属是土壤中主要的污染物之一，重金属和微塑料复合污染时有发生［11］。土壤中的微塑料表面含有丰富的官能团，可通过静电作用和非共价相互作用吸附土壤中的重金属离子，改变重金属在土壤中的环境行为，进而影响重金属对土壤生物毒性［12］。发芽率的大小能直观体现作物种子在受污染胁迫时发芽的能力。发芽势、发芽指数和活力指数等指标大小变化能直观反映污染物对作物种子发芽能力的影响程度。开展微塑料作用下重金属对作物种子萌发及生长影响的研究，对于土壤健康管理、采取科学农业措施等具有重要意义。
【前人研究进展】目前，关于微塑料和重金属对作物种子萌发及生长影响的研究大多集中在两者的单一污染，而两者复合污染相关研究尚处于初始阶段。冯天朕等［13］研究发现，微塑料聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）与镉（Cd）的复合污染对小麦种子萌发和生长的影响均表现为拮抗作用，进而减轻了其单一污染的毒害；王晓晶等［14］发现聚苯乙烯（mPS）和聚氯乙烯（PVC）和Cd复合污染对小麦种子萌发和生长影响也表现为拮抗作用；马贵等［15］研究了PE、PP、PVC和铅（Pb）复合污染对玉米种子萌发及其生长的影响，发现3种微塑料和Cd复合作用对玉米种子的萌发及生长的影响基本表现为拮抗作用，减缓了各自单一作用对玉米种子的毒害作用。【本研究切入点】锌（Zn）是植物生长必需的营养元素之一，主要参与植物的呼吸代谢、光合作用和生长素合成，进而增强作物的抗氧化酶活性和抗逆性，提高作物产量［16，17］。过量的Zn会使植物的种子萌发和生长发育受到不同程度的抑制［18］。农业污水灌溉、农药化肥的使用和汽车尾气排放等是农田土壤Zn污染的主要来源［19-20］。可见，Zn与微塑料在土壤中同时存在的现象时有发生，然后两者复合作用对作物种子萌发生长的影响的研究还未见文献报道。研究微塑料作用下锌对玉米种子萌发与生长影响。
【拟解决的关键问题】以玉米为供试作物，探究Zn和3种微塑料（PE、PP、PVC）不同单一及复合浓度作用对玉米种子萌发和生长的影响，分析微塑料作用下Zn玉米种子萌发和生长的影响，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"材 料
PE、PP和PVC微塑料均购自东莞市樟木头志研新材料经营部（过1 000目筛）。玉米品种为五谷702，购自宁夏固原市种子试验站，实测发芽率为85.68%。30% H2O2和ZnCl2均为分析纯，购自国药集体。图1
1.2"方 法
1.2.1"试验设计
单一作用试验：设5个微塑料处理（100、300、500、1 000和1 500 mg/L）和7个Zn2+处理（20、50、100、200、300、500和800 mg/L）。用1.0%的H2O2溶液浸泡玉米种子30 min后，用水清洗3次，在去离子水中浸泡6 h，取8粒种子随机均匀摆放进直径为9 cm的培养皿中（铺双层滤纸），加入10 mL微塑料或Zn2+溶液，将培养皿放入培养箱中培养7 d，每隔24 h加0.45 mL水（预实验所得），保持培养液浓度基本不变，记录玉米种子萌发及生长情况，每个处理重复6次。
复合作用试验：基于单一作用结果，复合作用试验选取的微塑料浓度为100 mg/L（对玉米种子的发芽起促进作用）、500 mg/L（较弱的抑制作用）和 1 000 mg/L（较强的抑制作用）；Zn浓度为：50 mg/L（促进作用）和 100 mg/L（抑制作用）。将5 mL微塑料和5 mL Zn2+溶液先后加入培养皿中，在与单一污染试验相同的条件下进行复合作用试验，记录玉米种子萌发及生长情况。每个处理3次重复。
空白试验（CK）：相同条件下，用等量去离子水进行玉米种子萌发试验，重复3次。
1.2.2"指标测定
种子吐出白色胚芽作为种子萌发第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统计发芽数；用1/10 cm尺子人工测量根和茎的长度。相关指标的计算公式［11］为：
发芽率=t d内发芽种子数/供试种子总数×100%；
发芽势=3 d内发芽种子数/供试种子总数×100%；
发芽指数=∑Gt/Dt。
式中，Gt为t d内的发芽种子数；Dt为对应的发芽天数。
活力指数=发芽指数×茎长度。
1.3"数据处理
用SPSS22.0软件进行数据统计分析，包括单因素方差分析和多重比较（Duncan检验，95%置信水平），用Origin2021制图。
2"结果与分析
2.1"微塑料作用下Zn对玉米种子发芽率影响
研究表明，Zn单一处理时，玉米种子发芽率随Zn2+浓度升高呈降低趋势，随时间增长呈增大趋势。Zn50处理下的玉米发芽率在前3 d低于CK，而在3 d后高于CK；玉米发芽率在较高浓度（≥100 mg/L）Zn处理下均小于CK。玉米发芽率在PE单一处理下均大于CK（除第1 d外），在PP100和PVC100处理下均较高。相比Zn，3种微塑料对玉米种子发芽影响轻微。图2"
Zn和微塑料复合处理下，玉米发芽率均高于相应的Zn单一处理。Zn50+ PE处理下，发芽率在Zn50+ PE100处理下最高，较Zn50高6.24%～14.29%；Zn100+ PE处理下，玉米发芽率在Zn100+ PE100处理下最高，较Zn100高33.33%～77.79%；Zn50+ PP处理下，发芽率最大值出现在Zn50+ PP100处理后；Zn100+ PP处理下，发芽率最大值出现在Zn100+ PP1000处理后；Zn50+ PVC处理下，发芽率在Zn50+ PVC100最高，较Zn50处理高7.15%～35.30%；Zn100+ PVC处理下，前4 d发芽率最高值出现在Zn100+ PP1000处理后，第4 d后出现在Zn100+ PP500处理后。图3
2.2"微塑料作用下Zn对玉米种子发芽能力的影响"
研究表明，玉米种子的发芽指数、发芽势和活力指数均随着Zn2+浓度的升高呈下降趋势。Zn500处理下，玉米发芽势和发芽指数达到最低；活力指数在Zn50处理下最大，Zn800下最小。图4
Zn+PE处理下，玉米发芽指数、发芽势和活力指数均大于相应Zn单一处理，且均随着PE浓度的升高呈现降低趋势；Zn100+PE100处理下3个指标均最高（分别较Zn100高59.10%、76.91%和131.16%，在Zn100+PE1000下最低。
Zn+PP处理下，Zn50+PE100处理下玉米发芽指数、发芽势和活力指数3个指标均最高，分别较Zn50高16.58%、29.42%和6.06%；Zn50+PP处理下，3个指标随PP浓度增加而减小，但Zn100+PP下呈相反趋势。
Zn+PVC处理下，Zn50+PVC100下3个指标的最大，Zn100+PVC500下最小。表1"
2.3"微塑料作用下Zn对玉米种子生长的影响
研究表明，玉米种子茎长和根长总体上随着Zn2+浓度增大而变小，Zn800处理下均最小，分别较CK显著降低89.83%和96.99%。3种微塑料单一处理对玉米种子茎和根生长均无显著影响。PE单一处理下，玉米种子茎长和根长最小值均出现在PE300处理后，最大值在PE1000后，较CK显著增加34.28%（茎长）和2.45%（根长）。玉米种子茎和根长在PP处理下，分别较CK降低4.96%（PP100）～28.61%（PP2000）和 0%（PP100）～ 48.78%（PP2000），在PVC处理下分别较CK降低 9.93%（PVC100）～ 42.55%（PVC2000）和 11.77%（PVC100）～67.04%（PVC2000）。图5
玉米种子茎和根长在Zn50+PE 处理下随着PE浓度增加呈现增大趋势，在Zn100+PE100较Zn100高43.99%和129.35%，在Zn100+PE500处理下分别较Zn100高36.39%和121.89%，在Zn100+PE1000下为最小。对于Zn+PP 处理，玉米茎长均低于相应Zn单一处理，且随着PP浓度增加呈现降低趋势；根长则呈相反趋势，且在Zn50+PP100下最高，较Zn50高45.35%。对于Zn+PVC 处理，玉米茎长均在Zn+PVC 500处理下最小，根长随PVC 浓度增加呈增大趋势，在Zn50+PVC100下最大，较Zn50高55.91%。 表2"
3"讨 论
3.1"单一作用对玉米种子发芽及生长的影响
赵玉红等［21］研究发现，不同浓度Zn2+（100～500 mg/kg）对4种豆科植物种子发芽率和发芽势影响总体表现为低浓度无影响或促进，高浓度抑制作用；Jichul等［22］研究发现，高浓度Zn2+作用时，豚草发芽率大大降低，但低浓度无影响。在试验研究中，玉米种子在20 mg/L Zn2+作用时发芽率达到了最大（91.67%），而在50～800 mg/L时，发芽率总体上随着Zn浓度的增加而减小，与以上研究结果相似。试验研究中50 mg/L Zn2+作用时，玉米茎长达到最大，表现出促进作用，这是因为锌是影响植物多种代谢过程的关键营养元素，在低水平或最佳范围内诱导植物中必要的生化和生理反应，进而促进玉米种子幼苗生长。此外，在不同浓度的Zn2+作用下，根长均受到了抑制，Zn对根生长的抑制作用比茎生长更严重，是因为根部细胞壁和吸收部位直接作用在重金属作用下，导致作物种子吸收的大部分重金属（75%～90%）主要分布在根中［23］。
试验研究中，3种微塑料作用下玉米种子发芽率较CK均无显著变化，其变化趋势因微塑料类型不同各异，与Khalid等［24］的研究结果相似，聚合物的类型是微塑料影响植物种子萌发生长的关键因素［25］，主要原因是聚合物不同，其颗粒表面电荷和官能团情况不同，使得作物种子根部对微塑料的吸附和吸收能力产生较大差别［26，27］，对作物发芽和生长的影响不同。此外，3种微塑料作用下，玉米发芽率总体上随着发芽时间增长，呈先抑制后促进的现象，是由于微塑料在发芽初期吸附在作物种子表面，阻碍了种子对水分的吸收（种子在发芽初期需要大量水分），但随着发芽时间的增长，作物吸取的水分也逐渐增多，微塑料对种子的抑制也逐渐减弱或消失［28］。
3.2"复合作用对玉米种子发芽及生长的影响
基于单一作用试验的结果，选取的100、500和1 000 mg/L三种微塑料浓度，50 mg/L和100 mg/L 2种Zn2+浓度，进行复合试验。结果表明，添加微塑料聚合物类型、浓度不同，Zn对玉米种子的萌发及生长产生影响不同，但总体上看，添加3种微塑料均减缓了Zn对玉米的毒害作用，从而提高了玉米种子Zn的耐受性，促进了玉米种子的萌发和生长。主要原因：一是Zn被微塑料吸附，会在微塑料表面发生聚集，减弱Zn的迁移，降低两者的生物可利用性［29］；二是微塑料被吸附在种子表面，阻滞了作物种子对水分的吸收，进而减缓了水溶性Zn进入植物体内［30］。但有些复合处理（微塑料浓度较高）下反而加重了过量Zn玉米种子萌发和生长抑制作用，可能是因为微塑料浓度太高，增强了其对Zn的吸附作用，从而有利于Zn的富集，从而增大了作物种子的摄入浓度，加重污染物毒性效应［31，32］。较低浓度（100 mg/L）微塑料能显著减缓Zn对玉米种子的毒害，有效促进玉米种子发芽和生长，其机理还需进一步研究。
4"结 论
Zn2+浓度越高，其对玉米种子发芽与生长的抑制作用越强。3种微塑料对玉米种子发芽和生长影响轻微。添加微塑料能一定程度减缓Zn对玉米种子发芽的抑制作用，增强其发芽能力。相较Zn单一处理，添加PE促进玉米种子茎和根生长，添加PP和PVC促进玉米种子根生长，但抑制其茎生长。较低浓度（100 mg/L）微塑料可以显著提高玉米种子对过量Zn的耐受性，进而促进种子发芽和生长。
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Effects of combined exposure of zinc and different ""microplastics on seed germination and growth of maize
LIAO Caiyun， MA Gui， ZHOU Yanyan， DING Jiafu， ZHOU Yue， BI Kexin， SUN Rong， LI Youhua
（College of Chemistry and Chemical Engineering， Ningxia Normal University， Guyuan Ningxia 756000， China）
Abstract：【Objective】 ""Study on the effect of Zn on maize seed germination and growth under microplastics.
【Methods】 ""The effects of different single and combination treatments of zinc （Zn） and three microplastics： polyethylene （PE）， polypropylene （PP） and polyvinyl chloride （PVC） on the germination of maize seeds and their growth was investigated using maize seeds.
【Results】 ""Maize seed germination， germination index， germination potential， vigor index， stem length， and root length generally showed a decreasing trend with increasing concentrations of Zn mono-treatment.The three microplastics had slight effects on the germination and growth of maize seeds compared to Zn.Maize germination， maize germination index， germination potential， and vigor index were greater in the combined Zn and microplastic treatments than in the corresponding Zn mono-treatment.Maize germination was 14.29%， 14.29%， and 9.52% higher under 50 mg/L Zn + 100 mg/L PE， 50 mg/L Zn + 100 mg/L PP， 50 mg/L Zn + 100 mg/L PVC treatments， respectively， as compared to 50 mg/L Zn mono-treatment.Germination index， germination potential， and vigor index were 59.10%， 76.91%， and 131.16% higher under 100 mg/L Zn+PE100 mg/L PE treatment and 15.76%， 39.53%， and 15.47% higher under 50 mg/L Zn+100 mg/L PVC treatment compared to 100 mg/L Zn treatment， respectively.Maize seed stem and root length increased with increasing PE concentration under 50 mg/L Zn+PE treatment.For Zn+PP treatments， maize stem lengths were all lower than the corresponding Zn mono-treatments， and root lengths were 45.35% higher at 50 mg/L Zn+100 mg/L PE compared to 50 mg/L Zn， 45.20% higher at 50 mg/L Zn+100 mg/L PP compared to 50 mg/L Zn， and greatest at 50 mg/L Zn+100 mg/L PVC compared to 50 mg/L Zn by 55.91%.
【Conclusion】 """The addition of lower concentrations （100 mg/L） of microplastics significantly improves the tolerance of maize seeds to excess Zn and promotes seed germination and growth.
Key words：""microplastics; Zn; maize; seed germination and growth
Fund projects：""Funding Program for Construction of First-class Disciplines in Ningxia Higher Education Institutions （Education Discipline） （NXYLXK2021B10）
Correspondence author："""MA Gui （1982-）， male， from Xiji， Ningxia， associate professor， research direction： the environmental behavior and ecological effects of new pollutants， （E-mail） nxsfxymg@163.com
收稿日期（Received）：
2024-05-11
基金项目：
宁夏高等学校一流学科建设（教育学学科）项目（NXYLXK2021B10）
作者简介：
廖彩云（1997-），女，江苏赣州人，硕士研究生，研究方向为环境毒理学，（E-mail）82007056@nxnu.edu.cn
通讯作者：
马贵（1982-），男，宁夏西吉人，副教授，硕士生导师，研究方向为新型污染物环境行为及生态效应，（E-mail）nxsfxymg@163.com
