不同电荷纳米塑料在拟南芥体内的毒性、吸收和积累

【摘要】：微塑料(塑料5 mm,包括100 nm的纳米塑料)作为一种新型污染物在近年来得到了极大关注,其主要来源于大型塑料垃圾的降解碎裂或直接的环境排放。尽管许多研究报道了微塑料对海洋生物的影响,但它们对陆地生态系统的潜在影响在很大程度上仍然未知。由于大多数汇入海洋中的微塑料都来源于陆地,研究人员也开始越来越关注陆地环境中纳米塑料的归趋和运输,特别是农业土壤。然而,目前还没有直接证据证明陆地植物中纳米塑料的内化和转运。陆生植物作为陆地初级生产力的主要组分,对控制食物链的结构和陆地生态系统乃至整个生态系统的稳定性起着至关重要的作用。本研究以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliala)作为受试生物,系统研究了不同电荷的聚苯乙烯纳米塑料(PS-NH2,PS-SO3H)对拟南芥的植物毒性效应、吸收方式及分布规律。主要研究成果概括如下:(1)暴露在不同浓度聚苯乙烯纳米塑料PS-NPs(0.3 g/kg和1.0 g/kg)7周后,土壤体系中整株拟南芥的株高、鲜重及果荚叶绿素含量受到不同程度的抑制。在固体培养基体系中,暴露在不同浓度PS-NPs(10、50、100 μg/ml)10天后,拟南芥幼苗的主根伸长受到显著的抑制。其中,拟南芥受抑制程度取决于PS-NPs的电荷及浓度,带正电荷的PS-NPs对拟南芥的毒性作用更为显著。(2)通过转录组学的差异基因表达分析和GO功能聚类分析发现,带正电的PS-NPs可以诱导更多差异基因的表达,其主要涉及到色素类生物合成和代谢过程、对水的响应、对ROS的响应、温度调节和昼夜节律等相关基因的表达。而对于PS-S03H,主要涉及到萜类物质、对化学毒性物质和缺水响应等相关基因的表达。通过对转录组数据中的基因进行筛选,发现PS-NH2可以诱导更多抗氧化活性以及与植物-病原体相互作用相关基因的下调。对根部H2O2和O2-水平检测发现,在PS-NPs处理下02-水平并没有明显改变;而PS-NH2处理可以诱导根部更多H2O2的积累。(3)通过根组织形态学分析发现PS-NPs可以使分生组织和成熟区细胞长度减短。对于PS-NH2处理,这种抑制效果更为显著。(4)共聚焦显微镜观察发现不同电荷的PS-NPs在植物根部的分布具有明显差异。对于负电的PS-NPs可以观察到明显的内化,并被吸收到成熟区的木质部和中柱附近。而对于带正电的PS-NPs,在根组织内观察到的荧光较少,荧光大多分布在根部表面和根毛上。这也暗示了 PS-NPs可以被成熟区的根毛吸收,并通过质外体途径内化至中柱附近。(5)高效液相色谱对根系分泌物中的有机酸分析发现,PS-NPs可以促进根部更多草酸的分泌,尤其是PS-NH2。我们的研究结果直接证明了植物对纳米塑料的吸收积累及其毒性作用。从更广泛的角度来看,它将提供对陆地环境中微塑料或纳米塑料的生态效应、农业可持续性和人类健康更深入的理解。