二氧化钛纳米颗粒在镉胁迫下的双重角色：缓解水稻氧化损伤却加剧生长抑制

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Dual roles of TiO? nanoparticles under cadmium stress: Alleviating oxidative damage while exacerbating growth inhibition in rice ( Oryza sativa L.)

本研究针对镉污染农田生态系统中TiO? NPs应用效果存在争议的问题，通过系统评估不同晶型（锐钛矿/金红石）和浓度（20-100 mg/kg）的TiO? NPs对镉胁迫水稻生长生理及分子机制的影响。研究发现TiO? NPs能通过调节类黄酮代谢（AT）和硫胺素代谢（RT）缓解氧化损伤，但会通过破坏能量代谢和TCA循环加剧生长抑制，揭示了防御-生长权衡机制，为纳米农业安全应用提供重要理论依据。

　　

随着工业化和农业现代化进程的加速，重金属污染已成为威胁全球粮食安全的重大环境问题。其中，镉（Cd）作为一种具有高毒性和持久性的重金属污染物，极易在水稻（Oryza sativa L.）籽粒中富集，进而通过食物链危害人体健康。据统计，中国耕地土壤镉平均浓度达0.27 mg/kg，且市场上相当比例的大米样品超过国家食品安全限值（0.2 mg/kg）。面对这一严峻挑战，开发有效的重金属污染修复技术迫在眉睫。

近年来，工程纳米颗粒（ENPs）在农业领域的应用展现出巨大潜力，特别是二氧化钛纳米颗粒（TiO? NPs）因其独特的光催化性能和生物相容性，被寄予缓解重金属毒性的厚望。然而，关于TiO? NPs在镉胁迫下究竟发挥保护作用还是加剧毒性的研究结论存在显著矛盾：有些研究表明TiO? NPs能促进根系生长、提高叶绿素含量并减轻氧化损伤；另一些研究却发现其与镉共暴露会导致水稻根长和株高进一步降低。这种争议性使得TiO? NPs在重金属污染农田中的应用前景充满不确定性。

更复杂的是，TiO? NPs的不同晶型（主要是锐钛矿AT和金红石RT）可能通过截然不同的分子途径影响植物生理响应。尽管已有研究报道AT和RT对植物生理和分子通路存在差异调节，但它们在镉胁迫下的具体作用机制尚不明确。为厘清这些科学问题，浙江树人大学交叉科学研究院的研究团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上发表了最新研究成果，通过整合生理指标测定、转录组学和代谢组学分析，系统揭示了TiO? NPs在镉胁迫水稻中的双重作用机制。

研究团队采用土壤培养实验，将水稻幼苗暴露于镉（0或30 mg/kg）与不同晶型TiO? NPs（AT或RT；0、20、50或100 mg/kg）组合处理中培养40天。通过测定生长指标（根长、株高、生物量）、生理指标（抗氧化酶活性、MDA含量、叶绿素含量），并结合多组学分析（转录组和代谢组），系统评估了TiO? NPs的效应。其中，50 mg/kg的TiO? NPs浓度被选为多组学分析的代表浓度。

研究结果显示，单独镉暴露对水稻生长指标无显著影响，但显著降低了抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性并提高了MDA含量。与之形成鲜明对比的是，TiO? NPs与镉共暴露虽然缓解了氧化损伤（恢复抗氧化酶活性，降低MDA），却显著加剧了生长抑制，导致根干重、株高和叶绿素含量分别降低27-47%、22-29%和29-41%。

在分子机制层面，多组学分析揭示了晶型特异性响应通路。锐钛矿型TiO? NPs主要通过调节类黄酮代谢途径缓解氧化应激，但同时干扰了能量代谢相关通路（嘌呤代谢、半乳糖代谢、淀粉和蔗糖代谢），导致生长受阻。而金红石型则通过硫胺素代谢、氨基酸代谢和TCA循环途径发挥类似作用，虽然具体分子路径不同，但最终都呈现出"缓解氧化损伤-加剧生长抑制"的权衡模式。

这项研究的创新性在于首次系统阐明了TiO? NPs在镉胁迫水稻中的双重作用机制，提出了"防御-生长权衡"理论框架，为理解纳米颗粒-重金属复合污染的生态效应提供了新视角。研究结果强调，在将TiO? NPs应用于重金属污染土壤修复前，必须进行全面的安全性评估，权衡其抗氧化保护作用与生长抑制副作用之间的平衡。这一认识对推动纳米农业的可持续发展具有重要指导意义，也为未来设计更安全高效的纳米修复材料提供了理论基础。