利用氧化铈纳米颗粒减轻浮萍中的抗生素植物毒性：对生理恢复、代谢重编程和营养稳态的多维度评估

《Journal of Environmental Sciences》：Mitigating Antibiotic Phytotoxicity in Duckweed through Cerium Oxide Nanoparticles: A Multidimensional Assessment of Physiological Recovery, Metabolic Reprogramming, and Nutritional Homeostasis

抗生素胁迫下 CeO? 纳米颗粒缓解水绵毒害及代谢调控机制研究。实验表明，10 mg/L CeO? NPs 可显著减轻 SMX（5.0 mg/L）和 TC（1.0 mg/L）对 duckweed 的生长抑制，提高鲜生物量达129.1%和206.9%，修复叶绿体超微结构损伤，促进光合活性及淀粉代谢积累，同时通过上调甘油酸-3-磷酸等碳代谢中间体水平，改善水绵营养成分（蛋白质、脂质、黄酮类物质）。研究为纳米修复技术治理抗生素污染提供新证据。

　　抗生素污染已成为全球水环境和公共卫生面临的重要威胁。在本研究中，我们评估了氧化铈纳米颗粒（CeO? NPs）对磺胺甲噁唑（SMX）和四环素（TC）在鸭跖草（Lemna turionifera）中的毒性的缓解作用。研究发现，CeO? NPs（10 mg/L）能够减轻SMX（5.0 mg/L）和TC（1.0 mg/L）对鸭跖草的毒性，分别使新鲜生物量增加了129.1%和206.9%，与单独暴露于SMX和TC相比。CeO? NPs还降低了SMX和TC胁迫下鸭跖草叶片的氧化应激水平。具体来说，SMX和TC破坏了叶绿体的超微结构，表现为叶绿体膜模糊、类囊体结构松散，以及淀粉颗粒大小和数量的减少。CeO? NPs通过修复结构损伤来增强光合作用活性。此外，CeO? NPs使淀粉、葡萄糖和总碳含量显著增加，表明其在缓解光合碳固定能力方面的积极作用。在代谢层面，甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的表达显著上调，而核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸则显著下降，这显示了CeO? NPs在SMX和TC胁迫下对鸭跖草叶片碳代谢的正向调控作用。同时，CeO? NPs有效提升了在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质。综上所述，这些发现突显了CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面的巨大潜力，并为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的策略。

近年来，抗生素的广泛应用，特别是在人类和动物医疗领域以及畜牧业和水产养殖中，使其成为预防和治疗由病原微生物引起的感染的重要工具。然而，抗生素的大量使用和排放导致其在环境中的积累，进而对生态系统和人类健康构成威胁。根据预测，到2030年，全球抗生素的消费量将比2015年增加200%。抗生素的广泛存在，特别是在地表水、地下水、饮用水和废水等环境中，使得其污染问题日益严重。因此，抗生素残留的出现已成为环境和公共卫生面临的重要挑战，不仅直接危害生物体，还可能诱导微生物耐药性，进而威胁人类健康。

淡水生态系统是抗生素污染的主要富集场所。已有研究表明，抗生素在地表水、地下水、饮用水、废水等环境中普遍存在。通常，淡水环境中的抗生素浓度范围从纳克/升（ng/L）到微克/升（μg/L），在严重污染的废水中甚至可达到数百微克/升。随着抗生素使用量的增加，其在环境中的积累也愈发显著，这可能对植物的生长、发育和生产力造成潜在风险。例如，氯四环素（CTC）对水生植物Lemna gibba具有光毒性，其有效浓度EC25值为114 μg/L。此外，环丙沙星（CIP，0.75 mg/L）已被发现会破坏鸭跖草（Lemna minor L.）中的叶绿体和线粒体电子传递，导致活性氧（ROS）的大量产生。磺胺甲噁唑（SMX）则被水稻根部快速吸收，破坏三羧酸（TCA）循环和水稻的苯丙烷类生物合成途径，最终导致水生植物的异常发育甚至死亡，影响其循环利用，并进一步污染水环境。

在环境治理方面，纳米材料展现出巨大的潜力，能够缓解环境压力并提升植物生产力。其中，氧化铈纳米颗粒（CeO? NPs）是全球十大生产量最高的纳米材料之一，其在环境和农业领域的应用受到广泛关注。预计到2050年，CeO? NPs的全球年产量将达到10,000吨。CeO? NPs在水体中的环境浓度范围从纳克/升（ng/L）到微克/升（μg/L），而在污水处理厂的排放物中可达到毫克/升（mg/L）的范围。低浓度的CeO? NPs（10-100 mg/L）已被证实可以提高植物对多种非生物胁迫（如盐胁迫、干旱胁迫、重金属胁迫等）的耐受能力。通过清除活性氧（ROS），CeO? NPs在管理植物环境胁迫方面表现出积极作用，从而改善代谢过程。在抗生素胁迫下，CeO? NPs通过减少ROS积累和增加光系统II（PSII）的有效量子产率，促进了Chlamydomonas reinhardtii和Phaeodactylum tricornutum等藻类的生长。同时，CeO? NPs作为吸附剂，能够高效去除抗生素，从而改变纳米颗粒和抗生素的生物累积和毒性。然而，目前关于CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面的多维度评估仍较为缺乏。

鸭跖草（Lemna turionifera）被认为是研究水环境污染的理想模型植物，因其广泛分布、成本低廉以及对环境污染物的敏感性而受到关注。特别是，鸭跖草富含淀粉和营养成分，被报道为一种可持续的生物质饲料原料，同时也是理想的动物饲料。四环素（TC）和磺胺甲噁唑（SMX）是人类和兽医医学中最常用的抗生素之一，经常在地表水中被检测到。因此，选择鸭跖草作为目标植物，以研究以下三个问题：（1）CeO? NPs在SMX和TC胁迫下对鸭跖草的生长和生理反应；（2）通过代谢组学分析，全面理解CeO? NPs缓解抗生素诱导的植物毒性的机制；（3）在胁迫处理条件下收获的鸭跖草的营养价值。这些发现有望揭示CeO? NPs缓解抗生素胁迫的机制，并为开发和应用纳米植物修复技术提供基础数据。

在本研究中，我们首先确定了不同暴露浓度和时间下SMX、TC和CeO? NPs对鸭跖草生长的影响。如图S2所示，SMX和TC的浓度超过0.5 mg/L时，会显著抑制植物生长。相比之下，10 mg/L的CeO? NPs在8天的暴露后促进了植物的生长。基于这些结果，我们选择了以下浓度进行进一步研究：SMX为0.5和5.0 mg/L，TC为0.5和1.0 mg/L，CeO? NPs为10 mg/L。通过这些实验，我们观察到CeO? NPs在减轻SMX和TC对鸭跖草的毒性方面具有显著效果。在生长方面，CeO? NPs能够促进鸭跖草的生长，缓解SMX和TC对植物生长的抑制作用。此外，CeO? NPs还能够修复SMX和TC对叶绿体结构的破坏，增强光合作用活性。在代谢层面，CeO? NPs显著提升了甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的含量，同时降低了核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸的含量，表明其在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO? NPs还能有效提升在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

在研究过程中，我们采用了一系列实验方法来评估CeO? NPs对鸭跖草的影响。首先，我们使用了高纯度的SMX、TC和CeO? NPs（纯度均高于98%或99.7%），并从Sigma-Aldrich公司购买。CeO? NPs的粒径小于30纳米，通过透射电子显微镜（TEM）观察其形态和大小（图S1）。此外，我们还利用Nano-ZS90 Zetasizer设备测量了CeO? NPs在植物培养基（1/4 Hoagland’s溶液）中，以及在抗生素存在或不存在的情况下，其Zeta电位和水动力直径。这些实验为后续研究提供了重要的基础数据。

为了进一步探究CeO? NPs对鸭跖草的生长和生理影响，我们选择了不同浓度的SMX、TC和CeO? NPs进行实验。结果表明，SMX和TC的浓度超过0.5 mg/L时，会显著抑制植物的生长，而10 mg/L的CeO? NPs在8天的暴露后能够促进植物的生长。因此，我们确定了以下实验浓度：SMX为0.5和5.0 mg/L，TC为0.5和1.0 mg/L，CeO? NPs为10 mg/L。在这些实验条件下，我们观察到CeO? NPs能够显著减轻SMX和TC对鸭跖草的毒性。在生长方面，CeO? NPs能够促进鸭跖草的生长，缓解SMX和TC对植物生长的抑制作用。在生理层面，CeO? NPs能够修复SMX和TC对叶绿体结构的破坏，从而增强光合作用活性。在代谢层面，CeO? NPs显著提升了甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的含量，同时降低了核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸的含量，表明其在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO? NPs还能有效提升在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

在研究过程中，我们还关注了CeO? NPs对鸭跖草的多方面影响。首先，我们测量了CeO? NPs在植物培养基中的Zeta电位和水动力直径，以了解其在水中的分散性和稳定性。此外，我们还评估了CeO? NPs对鸭跖草生长和生理指标的影响，包括生物量、叶绿体结构、光合作用活性、碳代谢以及营养价值。通过这些实验，我们发现CeO? NPs在缓解SMX和TC对鸭跖草的毒性方面具有显著效果。在生长方面，CeO? NPs能够促进鸭跖草的生长，而SMX和TC则会显著抑制其生长。在生理层面，CeO? NPs能够修复SMX和TC对叶绿体结构的破坏，从而增强光合作用活性。在代谢层面，CeO? NPs显著提升了甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的含量，同时降低了核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸的含量，表明其在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO? NPs还能有效提升在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

为了更深入地理解CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面的机制，我们进行了代谢组学分析。通过这一分析，我们发现CeO? NPs能够显著改变鸭跖草的代谢途径，从而缓解抗生素对植物的毒性。具体来说，SMX和TC的胁迫会导致鸭跖草的碳代谢紊乱，而CeO? NPs能够通过调节相关代谢物的含量，恢复正常的代谢过程。例如，甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的表达显著上调，而核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸则显著下降，这表明CeO? NPs在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO贰 NPs还能显著提升鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

在研究过程中，我们还关注了CeO? NPs对鸭跖草的多维度影响。首先，我们测量了CeO? NPs在植物培养基中的Zeta电位和水动力直径，以了解其在水中的分散性和稳定性。此外，我们还评估了CeO? NPs对鸭跖草生长和生理指标的影响，包括生物量、叶绿体结构、光合作用活性、碳代谢以及营养价值。通过这些实验，我们发现CeO? NPs在缓解SMX和TC对鸭跖草的毒性方面具有显著效果。在生长方面，CeO? NPs能够促进鸭跖草的生长，而SMX和TC则会显著抑制其生长。在生理层面，CeO? NPs能够修复SMX和TC对叶绿体结构的破坏，从而增强光合作用活性。在代谢层面，CeO? NPs显著提升了甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的含量，同时降低了核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸的含量，表明其在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO? NPs还能有效提升在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

为了更全面地了解CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面的机制，我们还进行了代谢组学分析。通过这一分析，我们发现CeO? NPs能够显著改变鸭跖草的代谢途径，从而缓解抗生素对植物的毒性。具体来说，SMX和TC的胁迫会导致鸭跖草的碳代谢紊乱，而CeO? NPs能够通过调节相关代谢物的含量，恢复正常的代谢过程。例如，甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的表达显著上调，而核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸则显著下降，这表明CeO? NPs在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO? NPs还能有效提升在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

在研究过程中，我们还关注了CeO? NPs对鸭跖草的多方面影响。首先，我们测量了CeO? NPs在植物培养基中的Zeta电位和水动力直径，以了解其在水中的分散性和稳定性。此外，我们还评估了CeO? NPs对鸭跖草生长和生理指标的影响，包括生物量、叶绿体结构、光合作用活性、碳代谢以及营养价值。通过这些实验，我们发现CeO? NPs在缓解SMX和TC对鸭跖草的毒性方面具有显著效果。在生长方面，CeO? NPs能够促进鸭跖草的生长，而SMX和TC则会显著抑制其生长。在生理层面，CeO? NPs能够修复SMX和TC对叶绿体结构的破坏，从而增强光合作用活性。在代谢层面，CeO? NPs显著提升了甘油酸-3-磷酸、蔗糖、丙氨酸、丝氨酸和苹果酸的含量，同时降低了核酮糖-5-磷酸和天冬氨酸的含量，表明其在调节碳代谢方面具有积极作用。此外，CeO? NPs还能有效提升在胁迫条件下收获的鸭跖草的营养价值，包括蛋白质、脂质和黄酮类物质的含量。这些结果表明，CeO? NPs在缓解抗生素诱导的植物毒性方面具有重要的应用潜力，为利用纳米技术增强鸭跖草作为饲料的循环利用提供了新的思路。

综上所述，本研究通过系统评估CeO? NPs对SMX和TC在鸭跖草中的毒性缓解作用，揭示了其在缓解抗生素诱导的植物毒性方面的巨大潜力。CeO? NPs不仅能够促进鸭跖草的生长，还能修复叶绿体结构，增强光合作用活性，并调节碳代谢过程，从而提升植物的营养价值。这些发现为开发和应用纳米植物修复技术提供了重要的理论依据和实践指导，同时也为缓解抗生素污染对水环境和公共卫生的影响提供了新的解决方案。未来的研究可以进一步探索CeO? NPs在不同抗生素胁迫下的作用机制，以及其在更大规模环境治理中的应用前景。