综述：农业中生物和非生物胁迫管理的变革性角色：纳米技术的作用

本综述系统探讨了纳米技术在农业胁迫管理中的前沿应用，聚焦于铜氧化物纳米颗粒（CuONPs）在水生环境中的生态风险与植物修复潜力。研究通过分析水生植物（Pistia stratiotes）在营养可变条件下对CuONPs的生理响应与解毒机制，揭示了营养有效性对纳米颗粒吸收动力学、抗氧化稳态（如SOD、CAT、APX活性）及修复效率（最高达87.6%）的关键调控作用，为可持续水处理技术提供了新见解。

　　

引言

随着工程纳米颗粒（ENPs）在工业、农业及消费品领域的广泛应用，其向环境中的无意释放引发了日益增长的生态与监管关切。其中，铜氧化物纳米颗粒（CuONPs）因其抗菌、催化和导电特性而被广泛使用，全球产量从2014年的约570吨增长至2025年的预计1600吨。这种广泛使用导致多生态系统污染，尤其水生系统作为污染物的最终汇，通过防污涂料、径流和浸出等途径富集CuONPs。一旦释放，CuONPs会发生物理化学转化，包括聚集、溶解为Cu²⁺离子和表面修饰，这些过程受水质、pH和有机质含量影响，进而影响其胶体稳定性和毒性。CuONPs已知会产生活性氧物种（ROS），导致氧化应激、光合作用破坏、膜损伤和细胞功能受损。

尽管存在多种处理技术（如混凝、过滤和化学沉淀），但其在CuONPs去除中的应用受高操作成本、复杂性和二次污染风险的限制。相比之下，植物修复作为一种生态友好、成本效益高的技术，已成为纳米颗粒去除的可行策略。水生大型植物如浮萍（Lemna minor）、紫萍（Spirodela polyrhiza）和槐叶萍（Salvinia natans）已展示出去除废水中多种ENPs的潜力，但其表现受植物物种、生理特性、环境条件和纳米颗粒特性影响。

水浮莲（Pistia stratiotes）作为一种自由漂浮的水生大型植物，已被广泛研究其积累重金属和修复离子形式铜的能力。然而，其与CuONPs的相互作用仍知之甚少。与通常通过离子通道吸收的Cu²⁺不同，CuONPs可能通过被动吸附、质外体运输或内吞作用样途径进入植物系统。这些机制差异表明，CuONPs可能引发水生植物独特的生理和胁迫响应。此外，营养可用性等环境因素可显著影响纳米颗粒吸收、抗氧化活性和整体植物耐受性。营养丰富的介质可能增强修复效率，而营养缺乏可能加剧纳米颗粒诱导的毒性。

先前研究表明，水生大型植物可与CuO-和Ag-NPs等ENPs相互作用并去除它们，初步证明了其修复潜力。例如，在Schoenoplectus tabernaemontani中报道了CuONPs的吸收和有限转运，而水浮莲已显示耐受和积累AgNPs的能力。然而，这些研究主要关注NPs的命运或去除效率，未解决环境营养制度如何影响潜在解毒途径的问题。至今，尚无系统评估对比营养条件如何调节水生大型植物中CuONPs的吸收、胁迫响应和耐受机制。

材料与方法

本研究通过整合CuONPs暴露梯度（10、50和70 mg L^?1）与营养丰富（Hoagland溶液）和营养缺乏（蒸馏水）条件，聚焦于水浮莲。通过结合形态学（根和叶）、解剖学（维管束和通气组织）、生理学（相对生长速率）和生化（色素和抗氧化酶）分析，以及元素量化（ICP-OES）、空间映射（LA-ICP-MS）和多变量统计（PCA、HCA），研究提供了水浮莲对CuONPs的营养依赖性植物修复的机制评估。

CuONPs（>99.8%纯度，平均粒径<50 nm）购自Sigma-Aldrich（美国）。使用动态光散射（DLS；Zetasizer Nano ZS90）测定悬浮液中纳米颗粒的流体动力学直径。暴露后植物介质中的纳米颗粒溶解通过ICP-OES量化。

选择三种浓度的CuONPs（10、50和70 mg L^?1）以代表环境相关暴露梯度。野外研究和风险评估报告自然水体中CuONPs水平范围为0.3–635 μg/L，而荟萃分析确定CuONPs的最大允许浓度为70.8 mg L^?1。尽管大多数自然背景水平仍处于μg/L范围，但局部污染热点和工业废水可能达到更高水平。基于先前生态毒理学研究，50 mg L^?1被认为是水生生物显著毒性的临界阈值。为建立梯度，因此包括低浓度（10 mg L^?1）、阈值浓度（50 mg L^?1）和高浓度（70 mg L^?1），从而全面评估水浮莲在营养可变条件下的植物修复性能和胁迫耐受性。

水浮莲从台湾番路乡竹湖自然中心湖泊采集。采集后，植物用自来水彻底冲洗以去除表面碎屑，并进一步转移至25% Hoagland基础盐溶液（PhytoTech Labs，Cat. No. H353，pH 6.5）中进行实验前适应。在适应期间，生长介质每周更换以维持营养可用性。

研究选择形状、大小和重量均匀的健康植物。暴露前，所有植物用蒸馏水彻底冲洗以去除任何残留营养物和表面污染物。

暴露实验使用5 L塑料水族箱进行，每个水族箱包含2 L CuONPs（处理组）悬浮液和三株植物。对于使用蒸馏水作为介质的处理，不添加营养物以避免潜在纳米颗粒聚集或沉淀。每个浓度（10、50和70 mg L^?1）进行三重测定，两种介质（蒸馏水和H营养）均设相应对照。对照水族箱包含相同介质但无CuONPs，而阳性对照由无植物的CuONPs悬浮液组成。实验设置置于台湾国立中正大学环境分析实验室的室外区域。该位置接收环境自然光但不直接暴露于阳光，确保整个实验过程中适度光照。暴露期持续七天。

整个实验期间，每隔一天从每个水族箱（包括对照和处理组）收集水样，以监测总铜浓度的变化。每次收集时，使用清洁注射器取10 mL样品，转移至铝箔包裹的离心管中，以最小化光照暴露。每个样品然后用2 M盐酸酸化，并储存于4°C供进一步分析。

完成七天暴露期后，收获植物并彻底清洗，先用自来水，随后用蒸馏水以去除植物表面松散附着的铜。记录每株植物的视觉观察，注意任何变色、坏死或根发育变化的迹象。所有样品处理和分析在暴露期终止后的连续两天内完成。

结果

聚集和溶解行为

DLS分析显示，CuONPs的流体动力学尺寸因实验介质而异。在H介质中，CuONPs形成更小、更致密的聚集体，流体动力学尺寸从初始约150 nm增加至暴露于70 mg L^?1七天结束时的1546 nm。相反，蒸馏水中的纳米颗粒经历不受控聚集，形成 substantially larger、更疏松的聚集体，从初始约150 nm增长至七天后相同条件下的2570 nm。

Cu²⁺离子从CuONPs的释放在Hoagland营养溶液中显著高于双蒸水。在70 mg L^?1 CuONPs暴露下，溶解的Cu²⁺在七天后在Hoagland介质中达到1.83 mg L^?1，而在蒸馏水中仍低得多，约0.5 mg L^?1。值得注意的是，两种介质中的溶解水平在24小时后稳定，表明颗粒聚集和溶解之间达到平衡。

解剖学变化

对照植物的横切面显示完整的解剖特征，表明正常组织 organization。根切片显示未破碎的表皮、发育良好的由通气薄壁组织组成的皮层和清晰定义的维管组织。匍匐茎和叶切片也保持结构完整性，具有 organized 维管束和未受扰动的细胞形态。

相比之下， subjected to 70 mg L^?1 CuONPs的植物表现出明显的解剖破坏。根片中，通气结构显著减少，表明通气能力受损。维管束显示崩溃迹象，表明营养和水分运输受损。此外，严重的组织收缩和细胞解体明显，尤其在皮层，暗示细胞应激和结构降解。

CuONPs处理植物的匍匐茎切片显示明显变形，维管元件显得 disorganized 和压缩。表皮的完整性也被破坏，表明保护功能丧失。叶片中，观察到毛状体密度增加 alongside 局部组织变暗。深色色素的积累表明CuONPs的潜在沉积或应激诱导的代谢改变。

形态学响应

水浮莲对CuONPs（10至70 mg L^?1）在Hoagland溶液和蒸馏水中七天的形态学响应显示，在Hoagland营养下，暴露于10 mg L^?1的植物保持近正常形态，具有轻微 chlorosis（评分≤1）。胁迫在50 mg L^?1加剧（评分~2），可见叶片卷曲和黄化，并在70 mg L^?1达到峰值（评分=3），显示萎蔫和坏死。

相反，蒸馏水中的植物表现出更快更严重的损伤，在所有浓度下第五天达到最大胁迫评分3。症状包括早期褐变、叶片崩溃和根 detachment，尤其在70 mg L^?1下。营养缺乏条件下的这种加速恶化突出了营养限制对CuONPs诱导毒性的放大效应。此外，深色沉积物附着于所有CuONPs处理的叶表面，多次洗涤后 persist，暗示残留纳米颗粒附着或氧化副产物。

相对生长速率分析

水浮莲的相对生长速率（RGR）在两种处理下随CuONPs浓度增加显著下降。单因素方差分析显示处理对RGR有显著影响（F (7,16) = 6.19, p = 0.00126）。事后Tukey’s HSD检验证实70 mg L^?1时RGR与对照相比显著减少（p < 0.05），最显著减少在蒸馏水处理植物中观察到（–0.15548 mg/g/天）。两种介质在10 mg L^?1处理和对照间显示显著差异。然而，在相应浓度下，H营养和蒸馏水处理间未检测到 such 显著差异。

光合色素分析

单因素方差分析显示，在七天CuONPs暴露结束时，两种处理中叶绿素含量显著减少，表明CuONPs负面影响色素稳定性。Tukey’s HSD检验证实70 mg L^?1 CuONPs时叶绿素含量显著低于对照和10 mg L^?1（p < 0.05）。然而，50 mg L^?1和70 mg L^?1 CuONPs间无统计显著差异，暗示较高CuONPs浓度下叶绿素降解 platform 的阈值效应。

在H营养中，叶绿素含量从0.6376 ± 0.0669 mg/g（对照）减少至0.5379 ± 0.0311 mg/g（70 mg L^?1 CuONPs）。类似地，在蒸馏水中观察到更显著减少，叶绿素含量从0.5477 ± 0.0478 mg/g（对照）下降至0.4228 ± 0.0145 mg/g（70 mg L^?1 CuONPs）。蒸馏水处理植物的更大减少表明Hoagland溶液中的营养可用性通过支持更好代谢韧性和抗氧化防御机制减轻CuONPs诱导的光毒性。

相反，类胡萝卜素含量随CuONPs暴露增加趋势，可能作为适应性抗氧化响应。ANOVA显示在H营养中统计显著效应，而在蒸馏水中效应不统计显著。Tukey’s HSD检验进一步显示在H营养中，类胡萝卜素水平从对照中0.4741 mg/g显著增加至70 mg L^?1 CuONPs时0.6209 mg/g（p < 0.05）。然而，在蒸馏水中，类胡萝卜素含量从对照中0.7624 mg/g增加至70 mg L^?1 CuONPs时0.9398 mg/g，但此增加不统计显著（p > 0.05），表明应激诱导生化适应而非严格浓度依赖响应。

抗氧化酶活性

为评估CuONPs诱导的氧化应激响应，分析了水浮莲在两种不同介质条件下CAT、APX和SOD的活性。

Catalase (CAT) 活性

单因素方差分析显示两种处理中CAT活性显著剂量依赖增加。在H营养中，CAT活性从6.654 ± 0.293 U/mg（对照）上升至70 mg L^?1 CuONPs时23.361 ± 0.556 U/mg（p < 0.05）。类似地，在蒸馏水中，CAT活性从8.253 ± 0.158 U/mg（对照）显著增加至70 mg L^?1 CuONPs时25.320 ± 0.482 U/mg（p < 0.0001）。事后Tukey’s HSD检验揭示在10 mg L^?1 CuONPs时，CAT活性在蒸馏水中显著高于H营养（p < 0.05），表明氧化应激在营养缺乏条件下更严重。然而，在50和70 mg L^?1 CuONPs时，两种介质间无显著变异（p > 0.05），暗示较高应激水平下潜在酶饱和。

Ascorbate peroxidase (APX) 活性

APX活性跨CuONPs浓度显著增加，营养可用性也起关键作用。在H营养中，APX活性从0.0023 ± 0.0002 U/mg（对照）增加至50 mg L^?1 CuONPs时0.0111 ± 0.0013 U/mg，峰值在70 mg L^?1 CuONPs时0.0132 ± 0.0015 U/mg（p < 0.05）。在蒸馏水中，APX活性持续较高，从0.0049 ± 0.0006 U/mg（对照）增加至50 mg L^?1 CuONPs时0.0163 ± 0.0012 U/mg，达到70 mg L^?1 CuONPs时0.0184 ± 0.0016 U/mg（p < 0.05）。Tukey’s事后检验确认跨所有CuONPs浓度和营养条件间显著差异，蒸馏水中APX活性持续超过H营养（p < 0.05），强化营养缺乏加剧氧化应激响应的观点。

Superoxide dismutase (SOD) 活性

SOD活性响应CuONPs暴露显示显著增加。在H营养中，SOD活性从0.1104 ± 0.0074 U/mg（对照）增加至70 mg L^?1 CuONPs时0.2867 ± 0.0449 U/mg，50 mg L^?1和70 mg L^?1处理间显著差异（p < 0.05）。在蒸馏水中，SOD活性从0.0781 ± 0.0353 U/mg（对照）增加至70 mg L^?1 CuONPs时0.3173 ± 0.0397 U/mg，显示跨所有CuONPs浓度统计显著增加（p < 0.05）。事后检验表明SOD活性在蒸馏水处理植物70 mg L^?1 CuONPs时最高，支持氧化应激在营养缺乏条件下更严重的假设。

铜吸收、生物浓缩和转运

水浮莲中CuONPs的积累和分布在两种对比处理条件下评估：H营养和蒸馏水。单因素方差分析显示处理对铜吸收有统计显著效应，事后Tukey’s HSD检验确认根组织中铜积累显著高于叶， regardless 生长介质。然而，两种根处理间或两种叶处理间未观察到显著变异。铜积累主要 localized 在根中跨所有浓度和处理。在70 mg L^?1 CuONPs暴露下，最高根铜浓度在H营养处理中记录（556.04 ± 3.39 mg/g），随后蒸馏水处理（457.15 ± 2.95 mg/g）。相反，叶中铜浓度保持相对低，在H营养中达到3.18 ± 0.34 mg/g，蒸馏水中5.42 ± 0.23 mg/g。

BCF在两种介质中显示浓度依赖下降，最大 values 在10 mg L^?1 CuONPs时观察到（H营养中18.42，蒸馏水中15.09），表明较低暴露水平下更高吸收效率。TF值保持持续低，峰值在蒸馏水10 mg L^?1时0.0199，暗示铜从根向 aerial parts 的运动受限。

此外，LA-ICP-MS成像提供植物组织内铜分布的空间确认。叶横截面元素映射清楚证明有限铜存在，强化量化发现并确认CuONPs主要保留在根系统中， minimal 向芽转运。

去除效率和吸附容量评估

水浮莲对CuONPs的去除效率和吸附容量随纳米颗粒浓度和生长介质而变化。在10 mg L^?1 CuONPs时，植物展示最高去除效率-蒸馏水中86.8%和Hoagland介质中87.61%-表明较低暴露水平下有效金属吸收。随着CuONPs浓度增加至50和70 mg L^?1，两种介质中去除效率逐渐下降。在蒸馏水中，效率 dropped 至66.83%和62.51%，而在Hoagland介质中， declined 至70.85%和69.24%， respectively。此减少趋势暗示较高浓度下吸收减少，可能由于结合位点饱和或增加纳米颗粒诱导应激。

相反，水浮莲的吸附容量随CuONPs浓度稳定增加。在10 mg L^?1时，吸附容量蒸馏水中1.88 mg/g，Hoagland介质中2.31 mg/g。这些值分别上升至70 mg L^?1 CuONPs时12.88 mg/g和14.78 mg/g。跨所有浓度，Hoagland溶液生长植物持续显示比蒸馏水中更高吸附容量，表明营养可用性对CuONPs结合效率的可能影响。

讨论

形态和解剖学响应

水浮莲暴露于CuONPs时可见形态恶化突出纳米颗粒诱导植物毒性的严重性，并与 later 描述氧化应激响应直接连接。蒸馏水生长植物展示更大萎蔫、根降解和叶褐变，尤其70 mg L^?1 CuONPs时，与显著 elevated 抗氧化酶活性（CAT、SOD和APX）一致，暗示不受控ROS生成是组织损伤的主因。此外，差异可能归因于Hoagland介质中增强CuONPs溶解 due to 离子相互作用和络合反应， potentially 促进难溶性Cu-磷酸盐沉淀和弱络合Cu-硫酸盐物种形成， thereby 减少游离Cu²⁺浓度和减轻植物毒性。多次洗涤后 persist 叶上持久黑色沉积物暗示CuONPs强表面吸附。类似地，Elsholtzia splendens和Myriophyllum spicatum根上黑色沉积物 following 水培暴露于CuONPs，表明根表面 substantial 纳米颗粒积累。

解剖学分析进一步确认结构性损伤 consistent with 氧化应激介导损伤。对照组织保持正常 organization，具有完整表皮、发育良好通气组织和清晰定义维管束。处理根中，减少通气组织和崩溃维管结构指示受损通气和运输。此类结构性恶化 align with 纳米颗粒诱导 excessive SOD活性，反映强ROS压力和 detoxify 超氧化物自由基需求。叶切片显示增加毛状体密度和局部变暗，暗示CuONPs表面吸附或应激相关色素沉着。匍匐茎组织展示维管变形和破坏表皮层，指向结构和保护完整性丧失。这些解剖破坏突出CuONPs对内部组织架构的不利影响， contributing to 受损生理功能。有趣的是，Hoagland溶液中植物， while still 显示一些损伤，保留相对完整表皮和维管结构 compared to 蒸馏水中。此部分保护 consistent with 较低ROS负担和 moderated 酶活性 under 营养充足，表明营养驱动抗氧化防御途径稳定减轻解剖破坏程度。集体地，这些发现证明CuONPs诱导氧化应激不仅激活酶解毒途径但也翻译成根、叶和匍匐茎组织 profound 结构性恶化， ultimately 妥协整体植物功能。

生长抑制和营养介质角色

CuONPs暴露显著减少水浮莲RGR，最 sharp 下降在70 mg L^?1时观察到。与各自对照相比，RGR蒸馏水中减少59%，Hoagland介质中37%（P < 0.05），揭示剂量依赖抑制趋势。蒸馏水中更大抑制可能结果于受损离子稳态和氧化失衡 due to 缺乏缓冲营养物。相反，Hoagland溶液减轻生长抑制，可能由于营养诱导Cu²⁺络合，减少离子生物利用度和ROS生成。这些结果支持较早发现营养补充增强植物对金属纳米颗粒应激韧性。

光合色素改变

CuONPs暴露显著减少总叶绿素含量浓度依赖方式。效应在营养缺乏条件下更严重，蒸馏水处理植物显示每浓度时显著低于Hoagland处理对应物叶绿素水平（P < 0.05）。这与已知铜诱导干扰Mg²⁺吸收和叶绿素生物合成机制一致， alongside 增强ROS驱动叶绿素降解。值得注意的是，Hoagland溶液中营养存在可能缓冲这些效应通过支持叶绿素生物合成和增强抗氧化容量。

相反，类胡萝卜素含量随上升CuONPs浓度显著增加，尤其在蒸馏水处理植物。此上调暗示适应性光保护响应，作为类胡萝卜素淬灭单线态氧和防止氧化应激下脂质过氧化。然而，50 mg L^?1和70 mg L^?1</sup>