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为探究铅基钙钛矿太阳能电池（Pb - PSCs）对植物的毒性机制，研究人员以花生为模型开展研究。结果发现，Pb - PSCs 会抑制花生生长、影响元素运输、激活防御反应。该研究为评估新能源材料环境风险提供依据。
在当今能源领域，钙钛矿作为一种卓越的光伏材料，正大力推动着新能源的发展。它不仅具备出色的光电吸收能力，而且制造成本较为低廉，这使得其大规模应用成为可能。其高对称立方相结构在延长载流子寿命和增加扩散长度方面优势显著，为光电子应用提供了有力支撑。然而，在这看似美好的发展前景背后，却隐藏着不容忽视的问题。
随着金属基钙钛矿在太阳能电池领域逐渐迈向工业化，其安装环境带来的风险日益凸显。当它们被安装在开阔平原或屋顶时，紫外线和水解作用会导致其分解，从而释放出重金属。以典型的铅基钙钛矿（Pb PSC）为例，其晶体中含有的 Pb2 +和碘离子（I?），尤其是二价铅具有神经毒性，这引发了人们的广泛担忧。大规模部署后，Pb PSC 模块在环境中容易因侵蚀和分层而降解，释放出的 Pb2 +会优先在农业系统的根区微环境中积累。而且，含卤硫属化物的铅盐溶解度较高，使得生物体更容易接触和吸收这些有害物质。已有研究表明，Pb PSC 对动物存在多种不良影响，如导致小鼠学习、记忆和认知行为受损，斑马鱼肠道屏障受损，还会引发脑血管缺陷和心脏水肿等健康问题。更为关键的是，从 Pb PSC 中泄漏的铅被植物吸收的速度比其他铅污染物快十倍，这对食物链构成了潜在威胁。但目前，人们对 Pb PSC 对植物的毒性机制却知之甚少，其如何干扰植物生理过程、在植物组织内的空间分布规律以及诱导的分子水平应激反应等都有待探索。
为了解开这些谜团，中南林业科技大学的研究人员开展了一项关于 Pb PSC 对花生植物毒性的研究。该研究成果发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上，为全面评估新能源材料的环境风险提供了重要依据，也加深了人们对新型纳米材料生态毒性的理解，强调了新能源发展过程中环境因素的重要性。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过设置不同浓度梯度的 Pb PSC 处理组，模拟铅暴露环境，对花生幼苗进行培养。利用空间成像技术，如生物透射电子显微镜（BTEM）和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA - ICP - MS），来观察 Pb PSC 在植物根中的分布情况。同时，采用转录组学和代谢组学相结合的组学分析方法，深入探究花生对 Pb PSC 胁迫的分子响应机制。此外，还运用多种生化分析方法，测定了植物体内的各项生理指标，如根可溶性蛋白（SP）含量、脯氨酸（Pro）水平、丙二醛（MDA）含量等。
3. 研究结果
3.1 花生幼苗生长指标的变化
研究人员首先对 Pb PSC 进行了全面的理化表征，结果显示其具有良好的晶体结构和光电性能，这为后续的胁迫测试奠定了基础。在研究 Pb PSC 对花生幼苗生长的影响时发现，当土壤中 Pb PSC 浓度超过 150mg/kg（这一浓度超出了中国土壤质量标准 GB 15618 - 2018 规定的农业土壤最大允许水平），花生幼苗会出现显著的形态变化。与对照组相比，新鲜生物量减少 55.5%，地上部分伸长受到 56% 的抑制，根发育被抑制 47%。随着污染物浓度的增加，花生幼苗的生长逐渐迟缓，在 250mg/kg 时，干生物量下降 32.5%。此外，Pb 暴露还导致花生幼苗的含水量下降 4.5%，叶绿素含量降低 24.1%。这表明 Pb PSC 通过多种机制对花生产生毒害作用，包括结构损伤、渗透失衡和光合作用抑制。
3.2 Pb PSC 在根中的吸收和积累
通过多维成像技术对根尖组织进行观察，LA - ICP - MS 图像显示，Pb 渗入表皮和皮层，而碘元素仅局限于表皮，这表明在根吸收之前，Pb - PSC 复合物发生了解离。原位 X 射线衍射分析证实了钙钛矿在根际条件下的分解机制，即根分泌物使局部微环境酸化，通过 H+离子交换使 Pb - I 八面体配位网络质子化，从而释放出 Pb2 +。BTEM 图像显示，处理组的细胞膜虽未出现明显破裂，但有明显变形，皮层中出现大量黑色颗粒，经 TEM - EDS 映射证实为 Pb 盐沉淀。基于这些结果，研究人员提出了 Pb 在根中的多相转运机制：首先 Pb2 +通过静电作用吸附到表皮细胞壁；然后通过表皮细胞间隙进行质外体运输；接着借助组织紧密性穿透皮层；最后通过主动运输系统在根内皮层积累。这一系列过程最终导致维管束被 Pb 沉淀堵塞，影响了水分和养分的运输。
4. 花生暴露于 Pb PSC 后的生物学响应
4.1 信号通路干扰
研究人员利用转录组学和代谢组学相结合的综合组学分析方法，进一步探究 Pb PSC 对花生幼苗的分子毒性机制。转录组学分析发现，根尖组织中存在显著的转录差异，共有 956 个基因上调，2161 个基因下调。基因本体（GO）富集分析和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析确定了关键的生物学功能和通路，如植物 - 病原体相互作用（PPI）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路和植物激素信号转导（PHST）。代谢组学分析显示，体内上调的代谢物占主导，KEGG 富集分析突出了 PPI 通路中的显著变化，水杨酸（SA）成为关键代谢物。这些结果表明，Pb PSC 胁迫扰乱了花生幼苗的正常生理功能，激活了防御机制。
4.2 提出的 Pb PSC 对花生植物的毒性机制
基于上述研究结果，研究人员提出了 Pb PSC 对花生植物生长产生不利影响的机制。首先，Pb 离子从 Pb PSCs 中释放出来，通过浓度扩散在根表面移动或吸附。接着，Pb 离子渗透到根表皮，并通过质外体途径在表皮细胞间运输。随后，Pb 穿透皮层，并借助更紧密的细胞排列，通过主动运输途径转移到内皮层。在运输过程中，Pb 离子阻碍细胞膜上的钙离子通道（CNGCs）和乙烯受体 / 传感器蛋白（ETR/ERS），导致 Ca 和 Cu 向茎的运输受阻，造成植物生长所需的营养缺乏。受抑制的 CNGCs 增强了 PR1 基因的表达，使得 Pb 盐在细胞壁或细胞膜周围沉积，导致细胞压缩变形。为了应对细胞损伤，花生幼苗产生更多的 SA 底物，触发 SA 途径和 PR1 基因表达上调，SA 还激活了抗坏血酸 - 谷胱甘肽循环，从而减轻 Pb 的毒性。然而，花生根中增加的 SA 代谢物下调了生长素相关基因，通过 SA - 生长素拮抗作用抑制植物生长。PR1 表达增强了植物的防御能力，但茉莉酸途径中 MYC2 的下调阻碍了花生根的发育。相反，乙烯途径中 ETR/ERS 活性的降低和 MYC2 的下调共同促进了几丁质酶 B（ChiB）的上调，以应对植物的防御反应。总体而言，Ca 和 Cu 运输途径的抑制以及 SA 途径的代谢亢进是花生幼苗在 Pb PSCs 胁迫下的关键分子响应，最终导致根系生长发育不良。
5. 研究结论与讨论
本研究发现，Pb PSCs 由于 Pb 泄漏成为潜在的污染源。从 Pb PSCs 泄漏的 Pb 在花生幼苗根尖呈现特定的分布模式，它从表皮被吸收进入皮层和内皮层，并以 Pb 盐沉淀的形式积累在细胞膜周围。体内的 Pb 与离子通道竞争，抑制了 Ca 和 Cu 向植物地上部分的运输，加剧了营养缺乏。此外，Pb 盐沉淀导致细胞膜受压，引发植物的解毒和渗透调节反应。作为对这种胁迫的响应，植物释放大量代谢物激活水杨酸途径，进入过度防御模式，导致 PPI、MAPK 和 PHST 三条代谢途径紊乱，更多基因下调。这些生理条件的破坏共同导致了花生幼苗根系生长发育不良。
同时，研究还揭示了 Pb PSCs 在农业土壤中的环境不稳定性会因根际过程，如根系分泌物、微生物活动和光化学降解而加剧，这些过程共同促进了 Pb 从钙钛矿基质中的解离。这项研究首次阐明了 Pb PSCs 在花生植物中的分布和毒性机制，为新兴能源材料的环境风险评估提供了坚实的科学基础。但该机制在其他作物物种和土壤环境中的普适性仍需进一步研究，未来应关注不同农业系统中根系结构变化和根际微生物组相互作用对 Pb 吸收和解毒途径的影响，探索在不影响植物生长的前提下调节 SA 防御途径的策略，为减轻农田中钙钛矿污染提供切实可行的解决方案。
