纳米颗粒（MgO与ZnO）对万寿菊重金属（Cd、Cu、Pb）植物修复效率的调控作用研究

《Discover Plants》：Influence of nanoparticles on the phytoremediation efficiency of Tagetes erecta L.

本研究针对重金属污染土壤修复效率低下的问题，探讨了氧化镁（MgO）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒（NPs）对万寿菊（Tagetes erecta L.）镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）植物修复效率的调控作用。结果表明，MgO和ZnO NPs能显著增强万寿菊对Pb和Cu的根际固定（phytostabilization），同时降低Cd的积累并缓解其毒性，为纳米辅助植物修复技术提供了新的理论依据和实践方案。

　　

随着工业化和城市化的快速发展，重金属污染已成为全球性的环境问题。镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）等重金属通过工业废水、矿山开采和农业活动进入土壤，不仅破坏生态系统平衡，还通过食物链富集，严重威胁人类健康。传统的物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染，因此，开发绿色、可持续的污染治理技术迫在眉睫。植物修复（phytoremediation）作为一种利用植物及其根系微生物清除或稳定土壤污染物的环境友好型技术，近年来受到广泛关注。然而，其修复效率常受限于植物生物量小、重金属生物有效性低以及植物对高浓度重金属的耐受性差等因素。

为了突破这些瓶颈，科学家开始探索将纳米技术与植物修复相结合的创新途径。纳米颗粒（NPs）因其比表面积大、表面活性高、吸附能力强等特性，在提高污染物去除效率方面展现出巨大潜力。其中，氧化镁（MgO）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒因其环境友好性和较强的重金属吸附能力，被认为是最有应用前景的纳米材料之一。万寿菊（Tagetes erecta L.）作为一种常见的观赏植物，不仅生长迅速、适应性强，还被证实对多种重金属具有较强的富集能力，是重金属污染土壤修复的理想候选植物。然而，关于纳米颗粒如何影响万寿菊对多种重金属的修复效率及其生理响应，目前尚缺乏系统研究。

在此背景下，研究人员在《Discover Plants》上发表了题为“Influence of nanoparticles on the phytoremediation efficiency of Tagetes erecta L.”的研究论文，首次探讨了MgO和ZnO NPs对万寿菊修复Cd、Cu、Pb污染土壤的调控作用与机制。

本研究主要采用盆栽实验方法，植物材料为采集自印度喀拉拉邦的万寿菊，在温室条件下进行培养。实验设置了12个处理组，包括对照组、单独重金属处理（Cd、Cu、Pb各100 mg/kg）、单独纳米颗粒处理（MgO NP、ZnO NP各100 mg/kg）以及重金属与纳米颗粒复合处理组。处理一个月后，测定植株的生长指标（根长、株高、鲜重、干重）、根体积、组织含水量、耐受指数（TI）以及根部和地上部重金属含量。通过原子吸收光谱法（AAS）分析重金属积累量，并计算生物浓缩因子（BCF_root）、转运因子（TF）和生物积累因子（BAF）等关键植物修复参数。

3.1 Effect of MgO and ZnO nanoparticles on Cd, Cu and Pb accumulation and on the growth parameters in T. erecta

3.1.1 Effect of MgO and ZnO nanoparticles on Cd accumulation and on the growth parameters in T. erecta

研究发现，与单独Cd处理相比，添加MgO NP和ZnO NP使万寿菊根部Cd积累量分别降低29%和32%，地上部积累量分别降低40%和31%。同时，Cd+MgO NP处理使植株地上部干重增加45%，表明MgO NP在缓解Cd毒性、促进植物生长方面效果更佳。生物浓缩因子（BCF_root）和生物积累因子（BAF）值均下降，转运因子（TF）值也降低，说明纳米颗粒处理抑制了Cd向地上部的转运，增强了根际固定作用。

3.1.2 Effect of MgO and ZnO nanoparticles on Cu accumulation and on the growth parameters in T. erecta

对于Cu污染，ZnO NP处理显著提高了万寿菊根部Cu积累量（增加274%），地上部积累量也增加117.2%，且BCF_root和BAF值显著上升，TF值下降，表明ZnO NP有效促进了Cu的根际固定。而MgO NP处理则使根部Cu积累量降低9%，地上部积累量降低35.7%，这可能与MgO NP改变土壤pH、降低Cu生物有效性有关。Cu+ZnO NP处理还使地上部干重增加164%，显示出良好的生长促进效应。

3.1.3 Effect of MgO and ZnO nanoparticles on Pb accumulation and on the growth parameters in T. erecta

在Pb污染土壤中，MgO NP和ZnO NP处理使万寿菊根部Pb积累量分别大幅增加226%和410%，而地上部积累量分别降低47%和72%。BCF_root和BAF值显著提高，TF值显著降低，尤其是Pb+ZnO NP处理组TF值最低，表明两种纳米颗粒均能显著增强万寿菊对Pb的根际固定能力，其中ZnO NP效果更优。

3.2 Effect of heavy metals (Cd, Cu & Pb) and nanoparticles (MgO and ZnO) on the moisture content, root volume and tolerance index of Tagetes erecta

重金属和纳米颗粒处理对万寿菊的生理指标产生了复杂影响。组织含水量在不同处理间变化不一，Cu+ZnO NP处理导致含水量显著下降。根体积在多数处理中均较对照组减小，尤其在Pb+MgO NP处理中降低79.7%。耐受指数（TI）在Cd+MgO NP和Cu+ZnO NP处理中分别提高50%和137.5%，但在Pb与NPs复合处理中显著降低，表明纳米颗粒对植物耐受性的影响因重金属种类而异。

3.3 Visual toxic effects of heavy metals (Cd, Cu & Pb) and nanoparticles (MgO and ZnO) in Tagetes erecta

形态观察发现，Cd和Cu单独处理导致万寿菊叶片萎蔫，而Pb+MgO NP处理植株表现出比单独Pb处理更强的耐受性。其他纳米颗粒处理组植株则出现失水和萎蔫现象，说明高浓度纳米颗粒可能对植物产生毒副作用。

本研究系统评估了万寿菊对Cd、Cu、Pb的修复潜力以及MgO和ZnO纳米颗粒的调控效应。结果表明，万寿菊能够将重金属富集于根部，表现出良好的根际固定能力。ZnO NP可显著增强万寿菊对Pb和Cu的根际固定，而MgO NP则有效降低Cd和Cu的积累量，缓解重金属毒性，提高植物胁迫耐受性。然而，重金属与纳米颗粒复合处理，尤其是Cu和Pb与NPs结合时，往往导致根体积、组织含水量和耐受指数下降，这可能是重金属与高浓度纳米颗粒协同毒性的结果。

该研究首次揭示了MgO和ZnO纳米颗粒在调控万寿菊多重重金属修复效率中的差异化作用，为纳米辅助植物修复技术的开发提供了重要理论依据。研究强调，需要通过优化纳米颗粒浓度以实现重金属固定效率与植物生长健康的平衡。未来研究应深入探讨NP-重金属-植物互作的生理生化与分子机制，并结合田间试验、有机改良剂及有益微生物等手段，推动该技术向规模化、系统化的可持续发展方向迈进。