微纳米塑料粒径依赖性效应对稻米品质的影响及其代谢机制解析

本研究针对微纳米塑料(MNPs)粒径差异对作物生理代谢的差异化影响这一关键问题，通过土壤(10 mg/kg和100 mg/kg)与水培(1 μg/L和10 μg/L)双系统实验，揭示≤100 nm聚苯乙烯(PS)颗粒通过抑制糖代谢通路导致稻米谷蛋白含量降低29%的机制。研究成果为农业土壤MNPs风险精准管控提供科学依据。

　　

塑料污染已成为全球性环境挑战，其中微纳米塑料(Micro- and nanoplastics, MNPs)因其持久性和生物累积性备受关注。农业土壤作为MNPs的重要汇，通过污水灌溉、地膜残留等途径富集这些微小颗粒。更令人担忧的是，已有研究发现MNPs可被作物吸收并转移至可食用部位，但不同粒径颗粒对作物品质的差异化影响机制尚不明确。这直接关系到全球粮食安全与人类健康风险评估，特别是对于稻米这种养活全球半数人口的主粮作物。

浙江大学研究人员在《Environmental Pollution》发表的研究，创新性地采用六种粒径(80-1000 nm)荧光标记聚苯乙烯(PS)颗粒，通过土壤和水培双系统实验，结合代谢组学等技术，首次系统揭示了MNPs粒径与稻米品质的剂量-效应关系。研究发现≤100 nm颗粒(PS≤100 nm)能穿透水稻根系屏障，在叶片中积累达701 μg/g，诱发25%的活性氧(ROS)升高，并通过抑制糖酵解/糖异生途径导致谷蛋白含量显著降低29%。该研究为建立基于粒径参数的MNPs农业安全阈值提供了关键数据支撑。

关键技术方法
研究团队运用透射电镜(TEM)表征PS颗粒形貌，激光共聚焦显微镜(LSCM)追踪颗粒体内分布，结合拉曼光谱验证组织内MNPs。通过测定ROS水平、抗氧化酶活性等生理指标，结合非靶向代谢组学分析代谢通路变化。实验设置涵盖土壤(10/100 mg/kg)和水培(1/10 μg/L)两种暴露场景，确保数据可靠性。

研究结果

MP characterization
TEM证实PS颗粒呈单分散球形结构(图1a-b)，荧光标记效率稳定。粒径增大导致zeta电位从-12.13 mV(80 nm)升至+12.13 mV(1000 nm)，影响颗粒-植物界面作用。

Characterization of PS MNPs
LSCM显示PS≤100 nm更易通过根系皮层细胞间隙(图1c)，在维管束中形成明显荧光信号。800-1000 nm颗粒主要吸附在根表，仅少量通过胞饮作用内化。

Conclusion
代谢组学揭示粒径≤100 nm的PS特异性下调戊糖和葡萄糖醛酸互变途径，导致淀粉和可溶性糖含量降低34%-41%。这种碳源短缺迫使植物分解储存蛋白，最终造成谷蛋白等营养组分流失。粒径≥200 nm的PS则通过激活抗氧化系统减轻毒性，呈现典型的"低促高抑"效应。

讨论与意义
该研究突破性地建立了MNPs粒径-代谢干扰-品质劣化的因果链条，阐明≤100 nm颗粒通过"糖代谢抑制-碳源竞争-蛋白分解"三级级联反应影响稻米营养品质。这不仅解释了田间调查中MNPs污染稻田的减产现象，更警示纳米级塑料可能通过食物链放大健康风险。研究成果为制定基于粒径分级的农业土壤MNPs管控标准奠定理论基础，对保障全球粮食安全具有战略意义。研究团队建议将100 nm设为MNPs风险评价的关键粒径阈值，这对发展精准农业环境治理技术具有重要指导价值。