纳米塑料与铜复合对番茄种子萌发和幼苗生长的影响

摘    要：为探究微塑料与重金属对农作物的影响，选取番茄作为受试植物，研究粒径为50 nm的聚苯乙烯纳米塑料（NPs）与Cu2+单独或复合污染对种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明，与对照相比，NPs单独胁迫对番茄种子的萌发表现为低促中抑高恢复的影响，显著提高番茄幼苗的可溶性蛋白含量（250 mg·L-1处理除外），可溶性糖含量表现为低浓度（ρ，后同）（50 mg·L-1）降低、中浓度（100、250 mg·L-1）升高、高浓度（500、1000 mg·L-1）再降低的变化趋势。Cu2+单独胁迫下，番茄种子的发芽势、活力指数、平均发芽速度均低于对照，发芽指数仅在400 mg·L-1最高浓度组显著降低；Cu2+胁迫显著降低番茄幼苗的芽长、鲜质量、含水量和可溶性糖含量（50 mg·L-1处理除外），显著提高可溶性蛋白含量。NPs与Cu2+复合污染的结果表明，NPs进一步降低Cu2+单一污染下番茄种子的发芽率、发芽势、发芽指数和番茄幼苗的根长、鲜质量（Cu 50+NPs 50除外），并加剧Cu2+对可溶性糖的抑制作用以及对可溶性蛋白的促进作用，二者表现为协同效应。综上，NPs加剧Cu2+对番茄种子萌发和幼苗生长的毒性效应。

关键词：番茄；纳米塑料；铜；种子萌发；幼苗生长

中图分类号：S641.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）02-080-08

Effects of combined contamination with nanoplastics and copper on seed germination and seedling growth of tomato

GUO Linlin1， GUO Chen1， WANG Pinsu1， YANG Yujie2

（1. Department of Life Science， Cangzhou Normal University， Cangzhou 061001， Hebei， China; 2. College of Horticulture， China Agricultural University， Beijing 100091， China）

Abstract： In order to explore the effects of microplastics and heavy metals on crops， we investigated the effects of polystyrene nanoplastics （NPs） with a particle size of 50 nm and also the combinatorial effect of NPs and Cu2+ on the seed germination and seedling growth of tomato（Solanum lycopersicum L.）. The results showed that low concentrations of NPs promoted the germination rate of tomatoes， while high NPs concentration inhibited it.  Further， soluble protein content of seedlings was increased， and soluble sugar content was decreased at low concentration （50 mg·L-1）， increased at the medium concentration （100 and 250 mg·L-1）， and decreased at the high concentration （500 and 1000 mg·L-1） again. Under Cu2+ stress alone， mean germination speed and vigor index decreased. Further， treatments with highest concentration（400 mg·L-1）decreased germination index significantly. Moreover， the reduction of bud length， fresh weight and water content of tomato seedlings were observed following Cu2+ treatment. In addition， the soluble protein content increased significantly and the soluble sugar content decreased significantly under Cu2+ stress. The results of combined pollution of NPs and Cu2+ showed that NPs could further reduce the germination index and root length and fresh weight of tomato under Cu2+ pollution， and enhanced the inhibition of Cu2+ on soluble sugar and the promotion of Cu2+ on soluble protein. Therefore， NPs and Cu2+ showed a synergistic effect. In conclusion， NPs could aggravate the toxic effect of Cu2+ on tomato seeds and seedlings.

Key words： Tomato; Nanoplastics; Copper; Seed germination; Seedling growth

塑料制品因具有成本低、易生产、耐用等特点，在工业、农业和日常生活中被广泛使用。但只有9%的废弃塑料被回收，超过79%的塑料被填埋或遗弃在自然界中[1]。塑料制品难以降解，且处理不到位，容易使其在风力、水流、人为因素等外力的作用下分解成较小的微塑料（microplastics，MPs）进入到环境中[2]。微塑料是粒径小于5 mm的塑料碎片或颗粒，而微塑料进一步分解为粒径小于1 μm的塑料颗粒，称为纳米塑料（nanoplastics，NPs）。微/纳米塑料作为一种新型的持久性环境污染物，现已在全球范围内的各种环境介质如土壤、水体、大气、生物体中检出[3]。目前，关于微塑料的研究多集中于其对海洋和淡水生态系统的持续污染和有害影响上[4]，而陆地生态系统作为塑料生产和排放的源头，近年来逐渐引起研究者的关注。已有研究表明，微/纳米塑料会改变土壤的理化性质，从而影响土壤功能，降低生物多样性[5-6]。此外，土壤中的微/纳米塑料会被运输到植物体内，从而影响植物种子的萌发，改变根际环境，并影响植物的抗氧化防御系统和光合作用[7-9]。

随着工业化进程的加快，土壤重金属污染也已经成为严重的环境问题。我国土壤重金属污染情况已经十分严峻，总超标率为16.1%，其中耕地土壤的超标率占总超标率的19.4%，将近1000万hm2的农业土地遭到污染，造成粮食作物减产[10]。其中，37.7%国土的农林用地土壤、21.7%国土的城市居住区土壤存在着较高的Cu污染生态风险[11]。Cu是植物生长所必需的微量元素之一，在光合作用、蛋白质合成和呼吸过程等生理活动中起着关键作用，但是高浓度的Cu会影响种子的萌发并对植物生长产生不利影响，还可在植物体内富集并通过食物链的传递影响到其他生物[12-13]。

目前，对于微/纳米塑料或重金属单一污染对植物影响的研究已有报道，但是，关于重金属与微/纳米塑料相互作用及其对植物的复合效应的研究还十分有限。已经有研究表明，微/纳米塑料对土壤中的重金属、抗生素等诸多污染物均具有吸附作用[1]。付东东等[14]研究表明，MPs对铜具有一定的吸附能力，且随着Cu2+浓度的增加，MPs对Cu2+的吸附量增加，但吸附速率逐渐降低。Jia等[15]研究发现，聚乙烯MPs能够加剧Cu2+和Pb2+对油菜的毒害效应。但是有关NPs与Cu2+对农作物种子萌发和幼苗生长影响的研究还未见报道。

笔者以河北地区广泛种植的大棚蔬菜作物-番茄作为试验材料，通过分析不同浓度的聚苯乙烯NPs或Cu2+单一及复合污染对番茄种子萌发和幼苗生长的影响，进一步揭示NPs与重金属的交互作用，以期为评估土壤环境中NPs与重金属复合污染的作用机制以及生态环境风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验于2023年4—6月在沧州师范学院生物学实验中心进行。试验番茄品种为毛粉802，种子购于沧州津科力丰种苗有限责任公司，籽粒饱满，状态健康。固体硫酸铜（CuSO4）购于天津盛奥化学试剂有限公司，单分散聚苯乙烯微球购于上海译元生物科技有限公司，质量浓度为25 mg·mL-1，粒径为（50±1.2）nm。

1.2 方法

1.2.1 处理液的配制 NPs处理液的配制：取5 mL单分散聚苯乙烯微球溶于120 mL的超纯水，配成1000 mg·L-1的NPs母液。根据黄献培等[16]和吴佳妮等[17]的文献，将NPs分别稀释为50、100、250、500、1000 mg·L-1等5个质量浓度梯度。

Cu2+处理液的配制：称取适量CuSO4固体，用超纯水配制400 mg·L-1 Cu2+母液，参考孙金金等[18]和许志敏等[19]的研究以及前期的预试验，将Cu2+浓度（ρ，后同）设置为50、100、200和400 mg·L-1。

复合污染处理液的配制：NPs与Cu2+复合污染的浓度设置方法结合前期的预试验并参考王泽正等[20]的研究，设置为50 mg·L-1Cu2++50 mg·L-1NPs，50 mg·L-1Cu2++500 mg·L-1NPs，200 mg·L-1Cu2++50 mg·L-1NPs和200 mg·L-1Cu2++500 mg·L-1NPs，分别称为Cu 50+NPs 50、Cu 50+NPs 500、Cu 200+NPs 50、Cu 200+NPs 500。

1.2.2 番茄种子水培试验 番茄种子用2%的H2O2消毒后，用超纯水洗净，置于滤纸上吸干表面水分。每个10 cm培养皿中均匀放置10粒番茄种子，下方放置2层纱布，每个皿中加入2 mL霍格兰营养液和2 mL不同浓度梯度的NPs或Cu2+或复合污染处理液。对照组（CK）的培养皿中加入2 mL霍格兰营养液和2 mL超纯水。试验共设置15个处理组，每个处理组设置4个重复。将培养皿放入温度为（26±2）℃、湿度为60%的恒温培养箱（上海印溪，DHG-9162）中黑暗培养，每天观察种子发芽和幼苗生长情况并记录种子的发芽数，定期补充超纯水以维持培养皿中的处理液浓度。

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标的测定 待试验第7天结束暴露，用厘米尺测定幼苗的根长和芽长，并将番茄幼苗置于电热鼓风干燥箱（上海印溪，DHG-9140A）中烘干至恒质量，用电子天平（上海佑科，JA1003N）称量烘干前后的鲜质量和干质量并记录。发芽率、发芽势、发芽指数、平均发芽速度、活力指数、含水量等指标的计算公式如下[21]：

发芽率（GR）/%=供试种子发芽数/供试种子总数×100 。                                                            （1）