纳米颗粒驱动的小麦防御机制：砷与微塑料胁迫下抗氧化及根际响应的增强作用

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Nanoparticle-driven defense in wheat ( Triticum aestivum L.): Enhancing antioxidant and rhizosphere responses under arsenic and microplastic stress

本研究针对土壤砷(As)与微塑料(MPs)复合污染问题，系统探讨了硅(Si–NPs)、二氧化硅(SiO2–NPs)和银(Ag–NPs)三种纳米颗粒对小麦(Triticum aestivum L.)生理生化及分子机制的调控作用。研究发现纳米处理显著提升抗氧化酶(SOD/POD/CAT/APX)活性、增强AsA–GSH循环、降低氧化损伤(MDA/H2O2)及砷积累，并通过调节根际微生物组降低健康风险指数(HRI/THQ)，为纳米农业技术在污染土壤修复中的应用提供理论依据。

　　

随着工业化和农业活动的扩展，土壤重金属和微塑料污染已成为全球性环境问题。砷(As)作为具有强毒性和致癌性的类金属元素，通过自然过程和人为活动进入土壤环境，而微塑料(MPs)作为一种新兴污染物，对生态系统和农作物生产构成严重威胁。这两种污染物不仅影响土壤物理化学性质，还会通过食物链传递，最终危害人类健康。小麦(Triticum aestivum L.)作为世界主要粮食作物，对砷和微塑料胁迫尤为敏感，其生长、光合作用和营养吸收会受到显著抑制。面对这一挑战，纳米技术为农业可持续发展提供了新思路，其中硅纳米颗粒(Si–NPs)、二氧化硅纳米颗粒(SiO₂–NPs)和银纳米颗粒(Ag–NPs)因其环境友好、成本低廉和生物相容性高等特点，显示出缓解重金属毒性的潜力。

本研究发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》，旨在系统评估三种纳米颗粒对砷和微塑料胁迫下小麦生理生化响应、分子机制及根际微生态的调节作用。研究人员通过温室盆栽实验，设置不同浓度砷(100/200 mg kg^?1)和微塑料(2/4 mg L^?1)胁迫处理，并叶面喷施Si–NPs(50 mg L^?1)、SiO₂–NPs(50 mg L^?1)和Ag–NPs(20 mg L^?1)。采用完全随机设计，通过生理指标测定（光合色素、气体交换参数）、生化分析（抗氧化酶活性、非酶抗氧化物质、氧化应激标志物）、分子生物学技术（qRT-PCR基因表达分析）、元素含量检测（AAS原子吸收光谱）以及微生物组测序（16S rRNA高通量测序）等多维度方法，综合评价纳米颗粒的缓解效应。

3.1. 植物生长和光合色素

研究发现砷和微塑料胁迫显著降低小麦根长、株高、生物量、叶绿素含量和光合效率，而纳米颗粒处理有效逆转了这些抑制效应，其中SiO₂–NPs表现最为突出，使植物生长指标恢复30–40%，光合参数提升25–33%。

3.2. 氧化应激指标与抗氧化防御机制

胁迫条件下，丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)含量显著上升，表明氧化损伤加剧。纳米颗粒应用通过增强超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性，有效清除了活性氧物种。同时，非酶抗氧化物质（酚类、黄酮、抗坏血酸）和脯氨酸代谢相关酶（P5CR、ProDH）也得到协同调控，维持了细胞氧化还原稳态。

3.3. 营养元素与金属吸收

砷胁迫导致小麦根和地上部砷积累量增加，而纳米处理显著降低砷易位，其中SiO₂–NPs使砷含量减少35–40%。此外，纳米颗粒还改善了钙(Ca²⁺)、镁(Mg²⁺)、铁(Fe²⁺)和磷(P)等必需元素的吸收，促进了糖类代谢和能量供应。

3.4. 抗坏血酸-谷胱甘肽途径与脯氨酸动态

研究显示纳米颗粒强化了AsA–GSH循环，提高还原型谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)水平，降低氧化型谷胱甘肽(GSSG)比例，从而增强细胞的抗氧化能力。脯氨酸作为渗透调节物质，其积累和代谢相关酶活性在纳米处理下也得到显著改善。

3.5. 根际微生物特性与健康风险指数

纳米颗粒处理丰富了根际有益微生物多样性，抑制了病原菌增殖，并显著降低了健康风险指数(HRI)和目标危害商(THQ)。SiO₂–NPs处理使微生物多样性指数提高22%，健康风险降低33%，表明其在减少污染物经食物链传递风险方面的潜力。

本研究结论表明，硅、二氧化硅和银纳米颗粒可通过多机制协同缓解砷和微塑料对小麦的毒性效应，包括增强抗氧化能力、调节营养吸收、减少砷积累、优化根际微生态和降低健康风险。其中，SiO₂–NPs因其优异的表面活性和稳定性，展现出最强的保护效果。该研究为纳米农业技术在污染土壤安全利用与作物安全生产中的应用提供了重要的理论和实践依据，对推动绿色农业发展具有深远意义。