隨著塑料制品輻射至各個(gè)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(xué)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(duì)于塑料的波及范圍及危害重新進(jìn)行審視。最近，有研究表明，陸生植物被認(rèn)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(dòng)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(fēng)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(xué)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(yīng)方面取得重要進(jìn)展。該工作首先采用細(xì)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(fù)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(duì)植物生長機(jī)制的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶正電和帶負(fù)電的納米塑料都可以在擬南芥中富集。同時(shí)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(fù)電荷的PS-SO3H納米塑料相比，這些納米塑料誘導(dǎo)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(duì)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(guān)研究成果以“Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana”為題，發(fā)表于納米領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature Nanotechnology上。文章的第一作者是山東大學(xué)的Xiao-Dong Sun，山東大學(xué)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(dòng)態(tài)光散射（DLS）結(jié)果證實(shí)了它們?cè)谌ルx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(zhì)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?yàn)楦鶎?duì)外界刺激高度敏感。當(dāng)擬南芥初生根在半強(qiáng)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(shí)，幼苗生長與對(duì)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(duì)照植物（P<0.05），且在較高濃度下表現(xiàn)出較強(qiáng)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(duì)擬南芥的根和芽進(jìn)行了RNA-Seq轉(zhuǎn)錄組分析。研究表明，PS-NH2對(duì)基因表達(dá)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(diào)過程涉及活性氧物種（ROS）的代謝過程以及對(duì)刺激和壓力的響應(yīng)。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(diào)，表明納米塑料處理后的擬南芥的抗病性會(huì)降低。進(jìn)一步通過細(xì)胞生物學(xué)觀察到，納米塑料改變了根表皮細(xì)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(duì)照組植物。為了進(jìn)一步鑒定ROS的RNA序列結(jié)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(jié)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(shí)驗(yàn)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(duì)照。此外，用50μg ml-1納米塑料處理的根成熟區(qū)細(xì)胞長度明顯短于對(duì)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(biāo)記的納米塑料，其行為與在半強(qiáng)度MS基本介質(zhì)中合成的納米塑料相似。將幼苗移栽到含有負(fù)表面電荷的紅色熒光標(biāo)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(xì)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(xì)胞間隙。這些結(jié)果表明，表面帶負(fù)電荷的納米塑料可能被成熟區(qū)的根毛吸收，并通過質(zhì)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(biāo)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(jìn)一步確認(rèn)植物根系對(duì)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(fù)電荷），以增加根中納米塑料的對(duì)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(shí)了PS-Pd的存在，主要存在于木質(zhì)部的表皮細(xì)胞和導(dǎo)管中。這與共焦成像結(jié)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(qiáng)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(fù)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(duì)根的影響更強(qiáng)，它們的吸收和內(nèi)化低于帶負(fù)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(duì)PS-NH2的吸收。根毛對(duì)納米塑料的吸附也會(huì)影響水分和養(yǎng)分的輸送，導(dǎo)致陸生生物的減少。
【研究小結(jié)】
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(fù)面生理效應(yīng)也值得在其他植物，特別是在根作物（如胡蘿卜、蘿卜）中進(jìn)行研究。陸生植物是食物鏈的基礎(chǔ)，因此，植物中的納米塑料富集可能會(huì)對(duì)糧食產(chǎn)量、質(zhì)量和安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)發(fā)展的必由之路。
全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0707-4
