《Nature Nanotechnology》塑料纳米颗粒会在植物内累积！！

　　背景

　　随着化工行业发展，塑料制品产业的发展和人们的生活起居带来了极大的革新。但由塑料产生的危害也日益凸显，例如，白色污染、化石能源的过度开采以及塑料微粒的污染等一系列环境问题。塑料微粒分为两大类：个人护理产品和工业研磨剂。废弃的塑料纳米颗粒随废水排放至江河海洋，许多研究发现，它们会在水生生物体内累积，并且无法降解，这不得不让人们对于塑料的危害重新审视。陆生植物是塑料微粒的重要载体，其中聚苯乙烯是植物体中最为丰富的塑料微粒之一。各种人类活动和环境条件的改变会导致植被体吸收塑料微粒。有证据表明，现代农业中的有机肥料以及污泥农业用地富含塑料微粒。此外，大棚塑料薄膜和垃圾填埋场的塑料废物在长期的降解和风化过程可能会碎裂，形成微塑料甚至纳米塑料，植物会吸收纳米粒子，并把它们转移到芽部，蓄积在根部，这表明陆地植物和生态循环系统可以吸收纳米塑料。

　　近日，山东大学袁宪正、王曙光课题组在Nature Nanotechnology发表“Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana”。文章阐述了在陆生植物吸收纳米塑料方面的进展。该工作首先采用细乳液聚合法制备了两种功能化聚苯乙烯纳米粒子：分别为带负电荷的PS-SO3H及带正电荷的PS-NH2纳米粒子。将纳米粒子掺入植物生长培养基中，研究其对植物生长机制的影响。实验结果表明，带正电和带负电的纳米塑料都可以在拟南芥中富集。同时还发现，生长培养基和根系分泌物限制了具有正表面电荷的PS-NH2纳米粒子纳米塑料的吸收。但带正电荷的纳米塑料诱导活性氧的富集度更高，并且显著地抑制了植物的生长和幼苗发育。这说明植物体中蓄积的纳米塑料对生态环境及农业可持续性发展带来影响。

　　结果与展示

　　塑料纳米粒子抑制植物根系生长

　　作者首先通过微乳液聚合合成了两种功能化聚苯乙烯纳米颗粒，（PS-SO3H（55±7nm）和PS-NH2（71±6nm））。动态光散射（DLS）证明它们在去离子水中具有最佳分散性和稳定性（图1b）。将上述纳米粒子掺入植物培养土壤中，发现两种类型的纳米塑料都影响拟南芥的表型（图1e-h）。此外，由于根对外界刺激的高度敏感性，作者还分析了固体培养基中的拟南芥幼苗。当拟南芥初生根在半强度的Murashige和Skoog（MS）培养基中以10、50和100μg ml-1浓度的纳米塑料培养10天时，幼苗生长与对照幼苗相比受到抑制（图1I，J）。在所有浓度纳米塑料处理下，这些植物的初生根生长量均显著比对照植物低（P<0.05），且在较高浓度下< strong="">的抑制作用更强（P<0.01）。另外，植物根系生长也受到显著的抑制。< strong="">

　　图1 纳米塑料的表征及其对拟南芥的生长机制的影响。a、PS-SO3H和PS-NH2的透射电子显微镜（TEM）图像; b、PS-SO3H和PS-NH2的DLS尺寸分布图; c、纳米塑料在溶液中的稳定性；d、PS-SO3H和PS-NH2的傅立叶红外光谱（FTIR）光谱；e-h、植物在与0.0、0.3或1.0 g kg-1 PS-SO3H或PS-NH2混合的土壤中生长七周的f、重量；g、株高；h、角果中的叶绿素含量；j、根长。

　　塑料纳米粒子影响植物表型，降低植物抗病性

　　接着，作者对拟南芥的根和芽进行RNA-Seq转录组分析。结果表明，PS-NH2对基因表达的影响大于PS-SO3H。两种不同电荷的纳米塑料暴露组的主要下调过程涉及活性氧物种（ROS）的代谢过程以及对刺激和压力的响应。经由两种纳米塑料处理的拟南芥的芽均显示出抗病基因的下调，表明纳米塑料处理后的拟南芥的抗病性会降低（图2a-c）。

　　作者通过细胞生物学观察到，纳米塑料改变了根表皮细胞的形状，而用两种纳米塑料处理的拟南芥根尖分生组织明显短于对照组植物。为了进一步鉴定ROS的RNA序列结果，土壤经纳米处理后，过氧化氢在根尖和根成熟区富集，这与RNA-Seq结果一致。另外，PS-NH2处理的根系比PS-SO3H处理的根系中H2O2的积累更明显（图2a）。然而，不同类型的纳米塑料之间的O2-水平几乎没有差异。实验中发现，用PS-NH2（10和50μg ml-1）和PS-SO3H（50 μg ml-1）处理的根尖分生组织显著短于对照（P<0.05）（图2e）。此外，用50μg ml-1纳米塑料处理的根成熟区细胞长度明显短于对照组（图2f）（P<0.01 ）。

　　图2 根系中的ROS分布和组织形态。a、b 在半强度MS培养基中生长7日的拟南芥根。c，d 用碘化丙啶染色处理之后具有代表性的根图像。e RAM长度。f 成熟区细胞的长度。

　　植物吸收纳米塑料

　　为了确定纳米塑料是否可以被植物吸收，作者在半强度MS基础培养基中使用了荧光标记的纳米塑料。将幼苗移栽到含红色荧光标记带负电荷的羧基改性聚苯乙烯纳米塑料的培养基中，7天后，在根中观察到红色荧光，主要在成熟区的中柱而不是根尖。在根尖，PS-COOH主要吸附在边界细胞上，沿根表面排列。此外，大量的PS-COOH微球附着在根表面和根毛以及细胞间隙（图3a）。这些结果表明，带负电荷的纳米塑料可能被成熟区的根毛吸收，并通过质外体途径内化到中柱中。此外，幼苗移栽到含有绿色荧光标记带正电荷的氨基改性聚苯乙烯纳米塑料的培养基7天后，在根表皮和根毛中观察到绿色荧光（图3a）。为了进一步确认植物根系对纳米塑料的吸收，作者使用金属掺杂聚苯乙烯纳米塑料（PS-Pd，负电荷），以增加纳米塑料的对比度。电子显微镜下成像表明， PS-Pd在在根组织中主要存在于木质部的表皮细胞和导管中（图3b）。电荷不同的纳米塑料之间的吸收和转运途径在根部组织中是不同的（图3c）。随着草酸浓度的增加，带正电的纳米塑料聚集导致粒径增大，而带负电的纳米塑料粒径保持不变，尽管带正电的纳米塑料（PS-NH2）对根的影响更强，它们的吸收和内化低于带负电荷的纳米塑料。PS-NH2刺激根系产生大量分泌物，影响了PS-NH2的稳定性，限制了拟南芥对PS-NH2的吸收。根毛对纳米塑料的吸附也会影响水分和养分的输送，导致陆生生物的减少。

　　图3纳米塑料的吸收和根响应。a，培养7天的根中PS-COOH（红色荧光部分）和PS-NH2-F（绿色荧光部分）的定位。b，来自未处理（对照）和PS-Pd处理植物根的TEM图像。c，拟南芥根中不同电荷的纳米塑料的吸收响及植物的防御机制。

　　结论

　　此研究有助于人们更好地了解陆生植物中纳米塑料的行为。在其他植物中，特别是在块根作物（例如胡萝卜，萝卜和欧洲防风草）中，非常有必要研究纳米塑料吸收和积累的可能性以及随之而来的负面生理影响。陆地植物是许多食物链的基础。因此，植物中的纳米塑料积累可能对其他营养水平有影响，这可能对粮食产量，质量和安全性构成潜在风险。但是，陆地环境中的纳米塑料主要来自宏观和微观塑料的分解。由于风化和化学降解，这些纳米塑料的物理和化学特性与本研究中使用的原始纳米塑料不同。作者认为，陆生植物中老化的纳米塑料的内在化和转运需要进一步研究。大力推广可降解的生物基塑料制品是人类发展健康生活的重要手段。

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