《Environmental Research》：Comparative toxicological effects of traditional and biodegradable microplastics on pepper (
Capsicum annuum L.): physiological and metabolomic insights
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辣椒生长受传统非降解微塑料（PP、PS、PVC）和可降解微塑料（PLA、PBS）剂量依赖性抑制，传统塑料毒性更强。生理代谢组学表明可降解塑料通过氧化应激和糖代谢干扰诱发毒理，传统塑料抑制苯丙烷代谢。本研究揭示两者毒性机制差异，为农业生态系统微塑料风险评估提供依据。
杨荣超|关明珠|傅友阳|杨晓|胡曼古|崔一兰|唐新明|张月琴
广东海洋大学海岸农业科学学院，湛江524088，中国
摘要
微塑料（MPs）作为一种新兴的环境污染物，日益威胁着农业生态系统中的植物生长，但传统微塑料与可降解微塑料的毒性差异尚不明确。本研究通过为期60天的土壤培养实验，评估了六种微塑料、四种传统聚合物和两种可降解塑料在0.1%和0.5%（w/w）浓度下对辣椒（Capsicum annuum L.）的影响。结果表明，生长抑制作用具有类型和剂量依赖性，其中不可降解的PP微塑料和PS微塑料的毒性更强。PBS微塑料引起的氧化应激最为严重，使H2O2含量增加了205.4%。代谢组学分析显示，微塑料暴露会导致代谢重组，代谢流从光合作用碳同化/糖酵解途径转向戊糖磷酸途径。值得注意的是，PVC微塑料对碳同化/糖酵解的抑制作用最为显著。进一步分析表明，氧化应激与代谢重组密切相关：可降解微塑料（PLA、PBS）显著干扰了芳香族氨基酸的生物合成（例如，酪胺含量减少了73.8%），从而削弱了植物的抗氧化防御能力；而传统PS微塑料则特异性抑制了下游的苯丙素代谢（例如，4-羟基肉桂酸和芥酸含量下降）。综上所述，可降解微塑料和传统微塑料通过不同的机制引发植物毒性：可降解微塑料主要通过氧化损伤和扰乱初级代谢起作用，而传统微塑料则主要抑制能量代谢和次级防御途径。本研究为微塑料对辣椒的应激反应提供了机制上的见解，并强调了传统微塑料和可降解微塑料对农业生态系统健康的潜在风险。
引言
塑料被广泛使用，但其低回收率和高稳定性导致其在环境中持续积累（Govarthanan等人，2022年；Haripriyan等人，2022年）。这些塑料碎片会形成微塑料（MPs，<5毫米），较大颗粒会吸附在根表面，而更小的亚微米级微塑料则通过根裂隙、细胞壁孔或内吞作用进入植物体内（Zhang等人，2020年；Wu等人，2021年；Zhou等人，2021b年）。这些过程会抑制植物生长、扰乱代谢并引发氧化应激，同时微塑料还可能进入食物链，对人类健康构成威胁。
碳水化合物代谢对植物生长和发育至关重要，为生命活动和应激反应提供能量、中间代谢产物和碳骨架（Nunes-Nesi等人，2010年）。研究表明，微塑料暴露会扰乱植物的碳水化合物代谢。例如，微塑料处理显著增加了水稻根部可溶性糖和蔗糖的浓度，同时降低了淀粉含量（Zhou等人，2021a年）。在大豆中，1% PLA微塑料的处理导致D-木糖和D-木酮糖的含量显著升高（Lian等人，2022年）。微塑料还会影响与碳水化合物代谢相关的酶活性，如大麦中hexokinase（HXK）和phosphofructokinase（PFK）活性下降（Li等人，2021年）。除了碳水化合物，微塑料还会干扰其他代谢途径，包括氨基酸和苯丙素代谢。例如，聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）已被证明会显著扰乱生菜的氨基酸代谢（Lian等人，2021年）。浓度为50和100 mg/L的NP应力也会改变苯丙素化合物的生物合成（Zhou等人，2021a年）。然而，微塑料对植物生理和代谢的负面影响可能因微塑料类型和浓度以及植物种类而异。此外，目前缺乏对传统不可降解微塑料和可降解微塑料的全面比较。
辣椒（Capsicum annuum L.）是种植面积最大、经济价值最高的园艺作物之一，年种植面积超过210万公顷，总产量达6400万吨（Liu等人，2025年）。除了其全球经济重要性外，辣椒还是抗氧化剂和维生素C的重要来源，具有抗炎和抗过敏作用（Fang，2015年）。尽管微塑料对植物的生态影响日益受到关注，但大多数研究仅关注单一类型的聚合物，对传统不可降解微塑料与可降解微塑料的差异了解有限。特别是在像辣椒这样的经济重要作物中，系统比较这两种微塑料的研究仍然不足。这是一个关键的知识空白，因为尽管可降解塑料的应用日益增多，但其对粮食作物的安全性仍不确定。
本研究全面比较了传统不可降解微塑料和可降解微塑料对辣椒（Capsicum annuum L. cv. ‘Zunla 1’的生长、生理和代谢的影响。传统不可降解微塑料和可降解微塑料均表现出剂量依赖性的抑制作用，其中传统不可降解微塑料的毒性更强。通过研究植物在活性氧（ROS）平衡、光合作用碳同化和碳水化合物代谢方面的反应，我们阐明了微塑料引起毒性的不同机制，为评估这些微塑料在该经济重要作物中的生态风险提供了依据。
研究方法
应力处理与植物生长
本研究使用了六种微塑料。其中四种是来自石油基聚合物的传统不可降解微塑料：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC），这些微塑料在环境中长期存在（Huang等人，2023年）。另外两种是可降解微塑料：聚乳酸（PLA）和聚丁酸丁二醇酯（PBS），它们在适宜的环境条件下可被特定微生物分解（Cao等人）
不同类型微塑料对辣椒幼苗生长的影响
为了全面比较不同类型传统不可降解微塑料和可降解微塑料对辣椒幼苗生长的影响，我们选择了四种传统微塑料（PE、PP、PS、PVC）和两种可降解微塑料（PLA、PBS），这些微塑料在土壤污染中最为常见。使用拉曼光谱和扫描电子显微镜确定了这六种微塑料的类型和粒径分布（图S1）。采用基于土壤的培养方法，研究了
讨论
环境应力总是会引发活性氧（ROS）的爆发，导致植物细胞内氧化应激。为了防止氧化损伤，植物通过一系列抗氧化酶和非酶抗氧化系统进行自我防御（Zhou和Hu，2017年）。本文发现，微塑料处理抑制了辣椒叶片中POD和CAT酶的活性（图2D-E），从而降低了它们降解细胞内H2O2的能力
结论
本研究采用生理学和代谢组学相结合的方法，系统研究了四种传统不可降解微塑料（PE-MPs、PP-MPs、PS-MPs、PVC-MPs）和两种可降解微塑料（PLA-MPs、PBS-MPs）对辣椒幼苗的毒性作用及其潜在的代谢机制（图8）。结果表明，微塑料处理显著抑制了幼苗生长，抑制强度随浓度增加而增强
作者贡献声明
张月琴：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法学。崔一兰：验证。唐新明：方法学、研究、数据管理。杨晓：数据管理。胡曼古：软件处理。关明珠：撰写 – 初稿撰写、验证、研究。傅友阳：验证、正式分析。杨荣超：方法学、研究、资金筹集、数据管理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32370359）的支持。
