综述：农业中的铜纳米颗粒：从预期减少铜使用带来的益处到其对肠道健康的毒性影响

《Science of The Total Environment》：Copper nanoparticles in agriculture: from expected benefits of reduced copper use to toxicity on gut health

铜及纳米颗粒在农业应用中的双刃剑效应与毒性风险

　　铜作为一种重要的微量元素，在农业和人类健康中扮演着多重角色。它不仅在植物保护和动物饲养中被广泛使用，还存在于自然环境中，如土壤和水源。然而，随着铜在农业中的大量使用，其在环境中的积累和对生态系统的影响也日益引起关注。近年来，铜纳米颗粒（Cu-NPs）因其更高的抗菌效率和较低的使用剂量，成为传统铜形式的潜在替代品。尽管它们可能减少铜的使用量并降低健康风险，但纳米尺度的特性也赋予了它们更大的反应性，从而可能引发毒性问题，特别是在肠道微生物群与免疫系统之间的相互作用中。本文综述了铜及其纳米形式对肠道健康的影响，强调了进一步研究其长期影响和消费者安全的必要性。

### 铜在农业中的应用及其对环境的影响

铜在农业中的应用主要集中在植物保护和动物饲养两个方面。作为农药，铜广泛用于防治真菌和细菌性病害，例如葡萄霜霉病、苹果锈病和马铃薯晚疫病。这些农药通常以铜硫酸盐、氧化铜、氢氧化铜、氯氧化铜和辛酸铜等形式存在。在畜牧业中，铜作为生长促进剂被添加到饲料中，以改善动物的生长性能和减少腹泻的发生。然而，这些应用也带来了铜在环境中的积累问题。

在欧洲，葡萄种植园的土壤铜浓度最高，平均达到49.26毫克/千克，其次是橄榄园和果园。法国的全国平均土壤铜浓度为91毫克/千克，是欧洲国家中最高的。铜在土壤中的积累主要发生在表层土壤，以二价铜离子（Cu2?）的形式存在，其与土壤胶体和有机质结合紧密，导致其难以通过自然过程被去除。此外，铜的积累还受到土壤性质（如pH值、有机碳含量和黏土比例）、气候条件（如湿润或干燥）以及种植类型（如葡萄酒类型）的影响。

在某些地区，如法国地中海沿岸的葡萄园，由于气候较为温和，土壤铜含量相对较低；而在气候较为寒冷和湿润的香槟地区，铜含量较高，增加了葡萄霜霉病的发生风险。此外，土壤中的铜污染还可能通过水体扩散，影响饮用水的安全性。例如，铜含量在饮用水中的上限在欧洲为2毫克/升，而在美国为1.3毫克/升。

铜在农业中的使用还可能通过动物排泄物影响环境。例如，富含铜的动物粪便在农业土壤中的反复施用，增加了土壤中的铜含量，进而影响作物的安全性。铜的使用量在传统农业中通常较低，而在有机农业中则较高。例如，在德国的一项调查中，葡萄种植的铜使用量为0.8千克/公顷，而有机农业的铜使用量为2.3千克/公顷，这表明铜在有机农业中的使用更为频繁，从而增加了环境中的铜积累。

### 铜纳米颗粒作为农业替代品的潜力

铜纳米颗粒因其更高的抗菌效率和较低的使用剂量，成为传统铜形式的潜在替代品。纳米颗粒的高表面积和良好的分散性使其在较低浓度下即可发挥抗菌作用，从而减少了铜的使用量。这种特性不仅有助于减少对环境的污染，还可能降低人类和动物的铜暴露风险。然而，铜纳米颗粒的纳米尺度也带来了更大的反应性和潜在的毒性问题，特别是在肠道微生物群与免疫系统之间的相互作用中。

在一些国家，如中国、印度、巴西、俄罗斯和北美，铜纳米颗粒已被用于农业实践，作为纳米农药或纳米肥料。然而，欧洲的监管框架较为严格，尚未广泛采用铜纳米颗粒。欧盟食品安全局（EFSA）在2018年发布的指南中指出，纳米农药的特性、行为和影响不应自动与传统农药视为相同，即使其成分被认为是安全的。因此，对铜纳米颗粒的评估需要考虑其独特的纳米特性，如粒径、表面化学性质和环境行为。

铜纳米颗粒在农业中的应用不仅涉及其抗菌性能，还包括其对植物和土壤的潜在影响。例如，一些研究表明，铜纳米颗粒可以提高植物的生长性能，同时减少其对土壤的污染。然而，铜纳米颗粒的环境行为受到多种因素的影响，包括pH值、盐度、溶解氧和有机物的存在。在水环境中，高pH值和有机物的存在可能促进铜纳米颗粒的聚集，从而减少其溶解度和生物可利用性；而在酸性条件下，溶解氧的增加则可能促进铜离子的释放。

此外，铜纳米颗粒的使用还可能影响植物对铜的吸收。例如，某些植物可以通过根系吸收铜的还原形式，将其转运至地上部分，导致铜在植物中的积累。铜纳米颗粒的使用还可能通过食品链影响人类健康，特别是通过食物和饮用水摄入。

### 铜对肠道健康的影响

铜对肠道健康的影响主要体现在其对肠道微生物群、肠道上皮屏障和免疫系统的作用。在适当剂量下，铜可以促进肠道结构的改善，如增加绒毛高度和隐窝深度，同时支持有益肠道菌群的生长。然而，过量或长期暴露可能导致肠道微生物群的失衡，从而影响肠道屏障功能和免疫反应。

在动物模型中，如猪和鸡，铜的使用剂量对肠道健康的影响具有显著差异。例如，低剂量的铜补充可以改善肠道结构和微生物群，而高剂量则可能导致肠道炎症和屏障功能受损。在猪的模型中，铜纳米颗粒的使用被发现可以提高铜的吸收率，减少粪便中的铜排出，从而提高生长性能。然而，铜纳米颗粒的高吸收率也带来了更高的毒性风险，特别是在肝脏和肾脏中的积累。

在人类中，铜的摄入主要通过食物和饮用水。然而，铜的摄入量在不同人群中存在差异。例如，欧洲和美国的成年人中，男性铜摄入量通常高于女性，这可能与饮食习惯有关。此外，年轻人群的铜摄入量相对较低，这可能与其较少摄入富含铜的食物有关。

### 铜纳米颗粒的潜在毒性

尽管铜纳米颗粒在农业中的应用具有潜力，但其潜在毒性也引起了广泛关注。研究表明，铜纳米颗粒在体外和体内都表现出更高的细胞毒性，尤其是在肠道上皮细胞中。例如，铜氧化物纳米颗粒（CuO-NPs）在体外实验中被发现可以导致肠道上皮细胞的死亡，同时引发炎症反应和屏障功能受损。

在动物模型中，铜纳米颗粒的使用被发现可以导致肝脏和肾脏的损伤，甚至死亡。例如，老鼠在口服铜纳米颗粒后，肝脏和肾脏的铜积累量显著增加，而铜微粒（Cu-MPs）则表现出较低的毒性。此外，铜纳米颗粒的使用还可能导致肠道微生物群的改变，如减少短链脂肪酸（SCFAs）的生产，影响肠道屏障功能。

### 铜纳米颗粒的环境和健康风险

铜纳米颗粒的使用可能带来环境和健康风险。由于其纳米尺度的特性，铜纳米颗粒可能更容易穿透生物屏障，如皮肤、肠道、肺部和血脑屏障，从而影响其在体内的分布和代谢。这种特性使得铜纳米颗粒的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程与传统铜形式不同，可能增加其在体内的滞留时间。

此外，铜纳米颗粒的使用还可能影响肠道微生物群的组成和功能。例如，一些研究表明，铜纳米颗粒可能导致肠道有益菌群的减少，同时增加潜在病原菌的丰度。这种微生物群的失衡可能进一步影响肠道屏障功能和免疫反应，导致炎症和慢性疾病的发生。

### 铜纳米颗粒的使用与健康风险的平衡

铜纳米颗粒的使用在农业和畜牧业中具有潜在的益处，如提高生长性能和减少病原体感染。然而，其潜在的毒性风险也需要被充分考虑。例如，铜纳米颗粒可能导致肠道屏障功能受损，增加细菌和毒素的透入，从而引发系统性炎症和免疫反应。此外，铜纳米颗粒的使用还可能影响铜在体内的代谢和排泄，导致其在肝脏和肾脏中的积累，进而增加健康风险。

为了确保铜纳米颗粒的安全和可持续使用，需要进一步的研究来评估其长期影响和潜在毒性。这包括对铜纳米颗粒在农业和畜牧业中的使用情况进行详细分析，以及对其在环境和人体内的行为进行系统研究。此外，还需要开发更有效的风险评估框架，以指导其在农业和食品工业中的应用。

### 结论

铜在农业中的广泛应用虽然带来了经济效益，但也对环境和人类健康构成了潜在风险。铜纳米颗粒作为传统铜形式的替代品，具有更高的抗菌效率和较低的使用剂量，但其纳米尺度的特性也带来了更大的反应性和毒性。因此，需要对铜纳米颗粒的环境行为和健康影响进行深入研究，以确保其在农业和畜牧业中的安全使用。同时，还需要制定相应的监管政策，以减少铜的过度使用，并保护生态系统的健康。未来的研究应关注铜纳米颗粒在不同环境条件下的行为，以及其对肠道微生物群、上皮屏障和免疫系统的影响，以全面评估其潜在风险和益处。