细思极恐!山东大学研究表明:植物会吸收塑料纳米粒子!你吃的蔬菜中会有吗?

随着塑料制品辐射至各个行业,为产业的发展和人们的衣食住行带来了极大的革新。但由塑料产生的危害也日益凸显,例如,白色污染、化石能源的过渡开采以及塑料微粒的污染等一系列环境问题。近年来,有众多学者发现,在水生生物体内发现了大量的塑料微粒子,这一发现不得不让人们对于塑料的波及范围及危害重新进行审视。最近,有研究表明,陆生植物被认为是塑料微粒的重要载体,其中聚苯乙烯是植物体中最为富集的塑料微粒之一。从吸收途径来讲,各种人类活动和环境的改变是塑料微粒侵入植被体的重要途径。更重要的是,现代农业中使用的大棚塑料薄膜和垃圾填埋场用的覆盖膜在长期的降解和风化过程中易产生塑料微粒,甚至产生塑料纳米粒子,植物可直接吸收上述纳米粒子,并将它们传输到嫩枝上,最后在根系中富集,这表明陆地植物和生态循环系统具有吸收纳米塑料的可能性。

【研究成果】

近日,山东大学袁宪正课题组、王曙光课题组与国内外同行合作,在纳米塑料的陆生植物效应方面取得重要进展。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。将上述不同电荷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。但与带负电荷的PS-SO3H纳米塑料相比,这些纳米塑料诱导活性氧的富集度较高,并且显著地抑制了植物的生长和幼苗发育。以上表明,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。相关研究成果以“Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana”为题,发表于纳米领域顶级学术期刊Nature Nanotechnology上。文章的第一作者是山东大学的Xiao-Dong Sun,山东大学袁宪正教授为本文第一通讯作者。
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图文解读

细思极恐!山东大学研究表明:植物会吸收塑料纳米粒子!你吃的蔬菜中会有吗?
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、 通过DLS在去离子水中评估PS-SO3H和PS-NH2的尺寸分布; 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)表征;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、鲜重、g、株高、h、角果中的叶绿素含量及j、根长。

 

塑料纳米粒子抑制植物根系生长

在本研究中,作者使用微乳液聚合法合成了两种功能化聚苯乙烯纳米塑料,即PS-SO3H(55±7nm)和PS-NH2(71±6nm)。动态光散射(DLS)结果证实了它们在去离子水中的良好的分散性和稳定性。将上述纳米粒子掺入植物基质中,发现两种类型的纳米塑料都影响了拟南芥的表型。此外,作者还分析了固体培养基中的拟南芥幼苗,因为根对外界刺激高度敏感。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。在不同浓度的纳米塑料处理下,这些植物的初生根生长量均显著低于对照植物(P<0.05),且在较高浓度下表现出较强的抑制作用(P<0.01)。另外,植物根系生长也受到显著的抑制。

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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。

 

塑料纳米粒子降低植物抗病性

作者对拟南芥的根和芽进行了RNA-Seq转录组分析。研究表明,PS-NH2对基因表达的影响要大于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。进一步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。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50 μg ml-1)和PS-SO3H(50 μg ml-1)处理的根尖分生组织明显短于对照。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。

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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。

纳米塑料被植物吸收

为了确定纳米塑料是否可以被植物吸收,作者使用荧光标记的纳米塑料,其行为与在半强度MS基本介质中合成的纳米塑料相似。将幼苗移栽到含有负表面电荷的红色荧光标记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主要吸附在边缘细胞上,沿根表面排列。此外,大量的红色荧光附着在根表面和根毛以及细胞间隙。这些结果表明,表面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。然而,幼苗移栽到含有绿色荧光标记的氨基改性聚苯乙烯纳米塑料的培养基7天后的根表皮和根毛中观察到绿色荧光。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),以增加根中纳米塑料的对比度。通过比较植物组织在电子显微镜下的成像,在根组织中证实了PS-Pd的存在,主要存在于木质部的表皮细胞和导管中。这与共焦成像结果高度一致,表明纳米塑料可以吸附在根表面并在中柱中富集。在半强度MS溶液和草酸存在下,纳米塑料呈现不同的聚集趋势。DLS数据显示,随着草酸浓度的增加,带正电的纳米塑料粒径增大,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。

【研究小结】

本研究有助于我们更好地了解纳米塑料在陆生生物中的代谢行为。纳米塑料在植物体中吸收和富集的现象以及负面生理效应也值得在其他植物,特别是在根作物(如胡萝卜、萝卜)中进行研究。陆生植物是食物链的基础,因此,植物中的纳米塑料富集可能会对粮食产量、质量和安全构成潜在风险。然而,在陆地环境中,纳米塑料很大程度上来源于农业塑料薄膜的使用和微塑料的分解。因此,推广可降解、生物基的塑料制品是绿色社会发展的必由之路。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0707-4

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