隨著塑料制品輻射至各個行業(yè)，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人們的衣食住行帶來了極大的革新。但由塑料產(chǎn)生的危害也日益凸顯，例如，白色污染、化石能源的過渡開采以及塑料微粒的污染等一系列環(huán)境問題。近年來，有眾多學者發(fā)現(xiàn)，在水生生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量的塑料微粒子，這一發(fā)現(xiàn)不得不讓人們對于塑料的波及范圍及危害重新進行審視。最近，有研究表明，陸生植物被認為是塑料微粒的重要載體，其中聚苯乙烯是植物體中最為富集的塑料微粒之一。從吸收途徑來講，各種人類活動和環(huán)境的改變是塑料微粒侵入植被體的重要途徑。更重要的是，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中使用的大棚塑料薄膜和垃圾填埋場用的覆蓋膜在長期的降解和風化過程中易產(chǎn)生塑料微粒，甚至產(chǎn)生塑料納米粒子，植物可直接吸收上述納米粒子，并將它們傳輸?shù)侥壑ι希詈笤诟抵懈患?，這表明陸地植物和生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)具有吸收納米塑料的可能性。
【研究成果】
近日，山東大學袁憲正課題組、王曙光課題組與國內(nèi)外同行合作，在納米塑料的陸生植物效應方面取得重要進展。該工作首先采用細乳液聚合法制備了兩種功能化聚苯乙烯納米粒子，分別為帶負電荷的PS-SO3H及帶正電荷的PS-NH2納米粒子。將上述不同電荷納米粒子摻入植物生長培養(yǎng)基中，研究其對植物生長機制的影響。實驗結果表明，帶正電和帶負電的納米塑料都可以在擬南芥中富集。同時還發(fā)現(xiàn)，生長培養(yǎng)基和根系分泌物限制了具有正表面電荷的PS-NH2納米粒子納米塑料的吸收。但與帶負電荷的PS-SO3H納米塑料相比，這些納米塑料誘導活性氧的富集度較高，并且顯著地抑制了植物的生長和幼苗發(fā)育。以上表明，植物體中蓄積的納米塑料對生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展帶來影響。相關研究成果以“Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana”為題，發(fā)表于納米領域頂級學術期刊Nature Nanotechnology上。文章的第一作者是山東大學的Xiao-Dong Sun，山東大學袁憲正教授為本文第一通訊作者。
【圖文解讀】
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塑料納米粒子抑制植物根系生長
在本研究中，作者使用微乳液聚合法合成了兩種功能化聚苯乙烯納米塑料，即PS-SO3H（55±7nm）和PS-NH2（71±6nm）。動態(tài)光散射（DLS）結果證實了它們在去離子水中的良好的分散性和穩(wěn)定性。將上述納米粒子摻入植物基質中，發(fā)現(xiàn)兩種類型的納米塑料都影響了擬南芥的表型。此外，作者還分析了固體培養(yǎng)基中的擬南芥幼苗，因為根對外界刺激高度敏感。當擬南芥初生根在半強度的Murashige和Skoog（MS）培養(yǎng)基中以10、50和100μg ml-1濃度的納米塑料培養(yǎng)10天時，幼苗生長與對照幼苗相比受到抑制。在不同濃度的納米塑料處理下，這些植物的初生根生長量均顯著低于對照植物（P<0.05），且在較高濃度下表現(xiàn)出較強的抑制作用（P<0.01）。另外，植物根系生長也受到顯著的抑制。
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塑料納米粒子降低植物抗病性
作者對擬南芥的根和芽進行了RNA-Seq轉錄組分析。研究表明，PS-NH2對基因表達的影響要大于PS-SO3H。兩種不同電荷的納米塑料暴露組的主要下調過程涉及活性氧物種（ROS）的代謝過程以及對刺激和壓力的響應。經(jīng)由兩種納米塑料處理的擬南芥的芽均顯示出抗病基因的下調，表明納米塑料處理后的擬南芥的抗病性會降低。進一步通過細胞生物學觀察到，納米塑料改變了根表皮細胞的形狀，而用兩種納米塑料處理的擬南芥根尖分生組織明顯短于對照組植物。為了進一步鑒定ROS的RNA序列結果，土壤經(jīng)納米處理后，過氧化氫在根尖和根成熟區(qū)富集，這與RNA-Seq結果一致。另外，PS-NH2處理的根系比PS-SO3H處理的根系中H2O2的積累更明顯。然而，不同類型的納米塑料之間的O2-水平幾乎沒有差異。實驗中發(fā)現(xiàn)，用PS-NH2（10和50 μg ml-1）和PS-SO3H（50 μg ml-1）處理的根尖分生組織明顯短于對照。此外，用50μg ml-1納米塑料處理的根成熟區(qū)細胞長度明顯短于對照組。
納米塑料被植物吸收
為了確定納米塑料是否可以被植物吸收，作者使用熒光標記的納米塑料，其行為與在半強度MS基本介質中合成的納米塑料相似。將幼苗移栽到含有負表面電荷的紅色熒光標記羧基改性聚苯乙烯納米塑料的培養(yǎng)基中7天后，在根中觀察到紅色熒光，主要在成熟區(qū)的中柱而不是根尖。在根尖，PS-COOH主要吸附在邊緣細胞上，沿根表面排列。此外，大量的紅色熒光附著在根表面和根毛以及細胞間隙。這些結果表明，表面帶負電荷的納米塑料可能被成熟區(qū)的根毛吸收，并通過質外體途徑內(nèi)化到中柱中。然而，幼苗移栽到含有綠色熒光標記的氨基改性聚苯乙烯納米塑料的培養(yǎng)基7天后的根表皮和根毛中觀察到綠色熒光。為了進一步確認植物根系對納米塑料的吸收，作者使用金屬摻雜聚苯乙烯納米塑料（PS-Pd，負電荷），以增加根中納米塑料的對比度。通過比較植物組織在電子顯微鏡下的成像，在根組織中證實了PS-Pd的存在，主要存在于木質部的表皮細胞和導管中。這與共焦成像結果高度一致，表明納米塑料可以吸附在根表面并在中柱中富集。在半強度MS溶液和草酸存在下，納米塑料呈現(xiàn)不同的聚集趨勢。DLS數(shù)據(jù)顯示，隨著草酸濃度的增加，帶正電的納米塑料粒徑增大，而帶負電的納米塑料粒徑保持不變，盡管帶正電的納米塑料（PS-NH2）對根的影響更強，它們的吸收和內(nèi)化低于帶負電荷的納米塑料。PS-NH2刺激根系產(chǎn)生大量分泌物，影響了PS-NH2的穩(wěn)定性，限制了擬南芥對PS-NH2的吸收。根毛對納米塑料的吸附也會影響水分和養(yǎng)分的輸送，導致陸生生物的減少。
【研究小結】
本研究有助于我們更好地了解納米塑料在陸生生物中的代謝行為。納米塑料在植物體中吸收和富集的現(xiàn)象以及負面生理效應也值得在其他植物，特別是在根作物（如胡蘿卜、蘿卜）中進行研究。陸生植物是食物鏈的基礎，因此，植物中的納米塑料富集可能會對糧食產(chǎn)量、質量和安全構成潛在風險。然而，在陸地環(huán)境中，納米塑料很大程度上來源于農(nóng)業(yè)塑料薄膜的使用和微塑料的分解。因此，推廣可降解、生物基的塑料制品是綠色社會發(fā)展的必由之路。
全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0707-4
