新型染色-显微工作流可视化土壤-植物系统中微纤维：对可持续农业与食品安全的启示

本研究针对农业土壤中微纤维（MFs）污染日益严重且其在土壤-植物系统中的迁移机制尚不明确的问题，通过开发PTSA荧光染色与多模式显微技术联用工作流，首次系统揭示了三种食用蔬菜对MFs的物种特异性吸附与积累规律。研究发现生菜根系表现出强烈的MFs表面吸附及通过裂隙入口和质外体途径的渗透，而小白菜和樱桃萝卜则无明显积累，该差异与根系渗透性及抗氧化能力密切相关。研究成果为评估微塑料（MPs）的农业环境风险及制定作物特异性污染阈值提供了关键方法学支撑和理论依据。

　　

随着全球塑料产量的指数级增长（2023年已达4.138亿吨），塑料污染已成为最紧迫的环境挑战之一。这些塑料废弃物在环境中逐渐破碎形成微塑料（MPs，粒径<5毫米），而农业土壤作为覆盖地球表面38%的重要生态系统，正成为MPs的主要汇集地。其中，微纤维（MFs）因其来自纺织品洗涤和污泥施用，占农业土壤中塑料颗粒的92%，但其在土壤-植物系统中的可视化、作物水平积累及潜在运输机制仍知之甚少。以往研究多集中于水培条件下球形聚苯乙烯微球（PS-MPs）的迁移，难以真实反映复杂土壤基质中MFs的行为。此外，不同作物根系结构（如浅根系的叶菜类与深根系的块根类）可能对MPs的吸附和运输能力存在显著差异，这种物种特异性响应模式对精准评估农产品安全风险至关重要。

为破解这一难题，来自英国利兹大学地球与环境学院的研究团队在《Science of The Total Environment》上发表了最新研究成果。他们创新性地将1,3,6,8-芘四磺酸（PTSA）荧光染色技术与序列多模式显微工作流相结合，首次在真实土壤栽培条件下追踪了MFs在三种食用蔬菜（生菜、小白菜、樱桃萝卜）根系中的分布、吸附、积累和吸收过程。

研究团队首先通过机械粉碎制备了长度<5毫米的聚酯（PES）MFs，并利用PTSA染料对其进行稳定标记。该染料凭借其亲水性阴离子特性，可通过静电作用和氢键与纤维表面牢固结合，且背景干扰低，特别适用于复杂环境样品。随后，将浓度为100毫克/千克的染色MFs均匀混入凯特林壤土中，模拟未来50年土壤MPs可能达到的污染水平（预测值为168.9毫克/千克）。在50天的温室栽培期内，研究人员通过立体显微镜初步筛查土壤和根系表面的MFs分布，再借助EVOS FL Auto 2荧光显微镜进行快速筛选，最后对阳性样本采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进行三维重建和透射电子显微镜（TEM）超微结构观察，构建了一套从宏观到微观的序列可视化工作流。

3.1. 微纤维在根际土壤中的分布

显微观察显示MFs通过缠绕土壤颗粒形成网络状结构，显著降低了土壤容重（尤其是樱桃萝卜栽培土壤，p < 0.05）。这种结构变化虽可能增强土壤团聚体稳定性，但也会削弱保水能力，对干旱地区农业可持续性构成潜在威胁。

3.2. 土壤基质中微纤维的荧光可视化

PTSA染色有效克服了土壤有机质自发荧光的干扰，在DAPI荧光通道下清晰区分出MFs与土壤背景。研究指出MFs检测仍面临形态异质性和共污染物干扰等技术挑战，需结合FiberApp等软件提升小尺寸MFs的量化精度。

3.3. 植物根系表面微纤维吸附的物种特异性模式

生菜根系表现出强烈的MFs吸附，主要集中于主根表面；小白菜吸附较弱且仅见于主根；樱桃萝卜则未检测到吸附。这种差异与根系表面积、表皮渗透性及抗氧化酶活性相关：生菜较高的超氧化物歧化酶（SOD）活性和丙二醛（MDA）含量（p < 0.05）提示其抗氧化防御系统受损，可能增强MFs渗透性。

3.4. 微纤维在植物根系内的渗透与定位

CLSM三维成像证实MFs通过裂隙入口和质外体途径进入生菜根组织，但未跨膜进入细胞（TEM验证）。小白菜和樱桃萝卜均未发现内部积累。生菜中MFs的渗透与其较低的SOD活性和DPPH自由基清除能力下降相关，表明氧化应激可能破坏根系屏障功能；而小白菜增强的抗氧化能力（SOD活性显著升高，p < 0.05）则有效阻止了MFs内化。

该研究首次揭示了MFs在土壤-植物系统中的物种特异性运输机制：生菜作为高积累作物，其根系结构特性和氧化应激响应是驱动MFs渗透的关键因素；而小白菜和樱桃萝卜则通过形态或生理屏障规避风险。这一发现不仅为建立作物特异性MPs污染阈值提供了科学依据，更警示了MFs通过食物链传递的潜在食品安全风险。研究者提出的序列显微工作流突破了传统荧光检测在复杂基质中的局限性，为未来环境微塑料研究提供了可推广的技术框架。随着农业土壤MPs污染的持续加剧，该成果对制定针对性 mitigation 策略、培育低积累作物品种及保障全球粮食安全具有重要指导意义。