《Eco-Environment & Health》：Charge-selective polystyrene nanoplastic retention by plant cell walls: Pectin domains dictate differential accumulation in rice seedling roots and shoots
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本研究针对全球塑料污染背景下纳米塑料(NPs)在作物中积累路径不明的问题，通过研究不同表面电荷聚苯乙烯NPs(PS-COOH NPs与PS-NH2NPs)在水稻幼苗中的吸收与转运，揭示了植物细胞壁作为电荷选择性屏障的关键作用。研究发现PS-COOH NPs在根和地上部的积累量分别是PS-NH2NPs的1.84倍和4.43倍，且>92% NPs被限制在根部；根细胞壁通过果胶优先截留PS-NH2NPs(74.04%–87.28%)，并诱导细胞壁重塑(果胶富集、半纤维素I沉积)，从而强化电荷选择性滞留。该发现为理解植物对NPs胁迫的适应机制及电荷依赖性NPs积累路径提供了新见解。
随着全球塑料产量的指数级增长——2022年已超过4亿吨，预计到205年将达到110亿吨——大量塑料废弃物通过环境泄漏和不当处置进入自然系统。这些塑料在环境风化作用下不断碎裂，形成微塑料(MPs, <5 mm)和纳米塑料(NPs, 一般<1 μm)。其中，尺寸更小(<100 nm)的NPs凭借其超小尺寸和高比表面积，展现出独特的生物渗透性，能够绕过植物根系屏障，通过维管系统转运至可食用组织如谷物中，最终导致作物减产。作为人类食物链的核心，作物对NPs的吸收和转运机制亟待阐明，以保障全球粮食安全。
NPs的表面电荷是调控其与植物界面相互作用的关键性质。然而，现有研究关于电荷如何影响NPs在植物中的转运和滞留机制仍存在争议且缺乏系统量化。植物细胞壁作为植物与环境之间的动态界面，在工程纳米颗粒(ENPs)胁迫响应中扮演双重角色：既是选择性物理化学屏障，又能对外界刺激产生适应性重塑。尽管NPs在来源和性质上与ENPs有所不同，但相似的尺寸和表面电荷特性使得从ENPs研究中谨慎推断成为可能。研究表明，植物细胞壁成分，如果胶，可能通过静电相互作用介导对不同电荷NPs的选择性截留。此外，细胞壁增厚和成分重组是植物应对ENPs毒性的关键防御机制。因此，我们假设植物细胞壁通过电荷选择性相互作用和结构重塑来调控NPs的运输。具体而言，带负电的果胶可能招募并滞留带正电的NPs，从而限制其内化；而其对带负电NPs的排斥作用则可能促进质外体运输和系统积累。这些电荷依赖性相互作用也可能诱导不同的细胞壁修饰。
为了验证这一假设，本研究选用具有不同表面修饰的欧标(Eu)标记聚苯乙烯(PS) NPs（PS-COOH NPs和PS-NH2NPs）和水稻(Oryza sativa L.)作为模型系统。选择PS NPs是因为PS占全球塑料产量的7.1%，且是农业土壤中最常检测到的聚合物之一；其表面电荷可通过羧基/氨基功能化精确调控，而Eu标记可实现复杂植物基质中的超灵敏检测。水稻作为全球半数人口的主食，其根系具有独特的硅-果胶复合细胞壁(果胶含量约35%)，为研究电荷依赖性拦截机制提供了理想模型。
研究人员通过整合Eu标记电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)定量、扫描电子显微镜(SEM)成像、亚细胞分级、细胞壁组分顺序提取、衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等多种方法，系统揭示了水稻细胞壁如何通过果胶介导的电荷选择性和NPs诱导的结构重塑，动态调控不同电荷NPs在根-地上部的分配模式。研究主要样本为水稻幼苗（日本晴品种），在含有不同浓度（0, 10, 50 mg/L）PS-COOH NPs或PS-NH2NPs的营养液中进行水培暴露实验。
3.1. 不同电荷纳米塑料的表征
透射电子显微镜(TEM)显示PS-COOH NPs和PS-NH2NPs均呈球形结构，平均粒径分别为100.53 ± 0.55 nm和98.59 ± 0.14 nm。ATR-FTIR证实了各自的特征官能团（PS-COOH NPs的C=O伸缩振动峰约在1717 cm-1，PS-NH2NPs的芳香胺峰约在3409 cm-1和1630 cm-1）。在营养液中，PS-COOH NPs和PS-NH2NPs的水合动力学直径分别为156.43 ± 0.91 nm和196.28 ± 5.79 nm，Zeta电位分别为-24.47 ± 0.15 mV和19.86 ± 0.32 mV。这表明带正电的PS-NH2NPs在带负电的营养液介质中更易聚集，从而可能限制其移动性和根系表面相互作用，降低其生物可利用性。
3.2. 水稻对NPs胁迫的生理生化响应
暴露14天后，50 mg/L的PS-NH2NPs显著抑制了水稻幼苗的根长。两种NPs均以浓度依赖性的方式显著降低了根和地上部的干重，且PS-NH2NPs在50 mg/L时对幼苗生长的抑制效应强于PS-COOH NPs。在高浓度下，两种NPs均显著降低了叶片叶绿素含量和光系统II(PSII)的最大光化学效率(Fv/Fm)。氧化应激生物标志物测量显示，两种NPs均以浓度依赖的方式诱导根中丙二醛(MDA)、超氧阴离子(O2?)和过氧化氢(H2O2)的显著产生，且PS-NH2NPs在同等浓度下引发的氧化损伤显著大于PS-COOH NPs，这与PS-NH2NPs在根组织中更高的积累量直接相关，显示出明显的积累-毒性关系。
3.3. NPs在根-茎-叶中的转运和分布
SEM观察在处理的植株根、茎、叶中均发现了球状NPs单体和聚集体，提供了两种PS NPs被吸收、转运和积累的形态学证据。荧光显微镜观察Eu–β-二酮络合物[Eu(TTA)3]掺杂剂的荧光信号显示，信号主要位于根横切面的外围，维管柱中信号较弱，茎中荧光主要位于叶鞘维管束内，叶片中未检测到显著信号。ICP-MS定量结果表明，NPs在根和地上部的积累量随暴露浓度增加而增加。在50 mg/L浓度下，PS-COOH NPs在根和地上部的积累量分别是PS-NH2NPs的1.84倍和4.23倍。两种NPs主要积累在根部（92.24%–99.09%），但PS-COOH NPs在地上部的积累量仍是PS-NH2NPs的2.3–67.11倍。PS-COOH NPs的生物富集因子(BCF)和转运因子(TF)均显著高于PS-NH2NPs，表明PS-COOH NPs更易被吸收并向地上部转运，具有更高的暴露风险。
3.4. NPs在水稻根中的亚细胞分布
亚细胞分布定量分析显示，PS-COOH NPs主要分布在细胞壁（47.56%–49.95%）和细胞器（45.20%–45.49%）中，细胞质中浓度较低（4.56%–7.24%）。而PS-NH2NPs则主要被阻滞在细胞壁中（71.89%–72.08%），向细胞质（24.69%–27.55%）和细胞器（0.37%–3.41%）的转运极少。这表明PS-COOH NPs更容易穿透细胞壁进入细胞内空间，而PS-NH2NPs则更多地被细胞壁阻碍，限制了其向细胞内的转运。细胞壁的选择性屏障功能是导致不同电荷NPs在水稻幼苗中差异分布的关键。
3.5. NPs在细胞壁组分中的分布
对不同细胞壁多糖组分中NPs含量的分析发现，PS-NH2NPs在果胶、半纤维素1(HC 1)、半纤维素2(HC 2)和纤维素中的积累量均显著高于PS-COOH NPs。值得注意的是，两种NPs都主要定位于果胶组分中，凸显了果胶作为NPs截留主要位点的作用。PS-NH2NPs在果胶中的积累量是PS-COOH NPs的2.04–2.23倍，证明了明确的电荷选择性滞留机制。带负电的果胶与带正电的NPs之间的静电吸引是导致PS-NH2NPs被更强滞留的主要原因。
3.6. 细胞壁结构的适应性变化
在NPs胁迫下，细胞壁发生了结构性重塑。TEM观察显示，暴露于PS-COOH NPs和PS-NH2NPs后，细胞壁局部厚度分别增加了1.96倍和2.31倍，且PS-NH2NPs暴露下的增厚更为显著。ATR-FTIR显示与多糖和蛋白质相关的官能团信号增强，表明多糖和功能蛋白含量增加。XPS分析发现COOR（羧酸酯）基团的相对浓度在NPs暴露后增加，这与果胶含量升高一致，有利于增强对NPs（尤其是PS-NH2NPs）的截留。细胞壁组分定量结果显示，在PS-COOH NPs和PS-NH2NPs胁迫下，果胶和HC 1的含量分别增加了33.55%和21.21%（果胶）以及20.21%和13.45%（HC 1），而HC 2和纤维素含量不变。细胞壁通过增加果胶和半纤维素的含量来增强其结构完整性和功能。果胶含量的增加促进了对两种NPs的滞留，尤其对带正电的PS-NH2NPs更为有效。
本研究强调了表面电荷对NPs在作物中吸收和积累的重要影响。研究发现，水稻细胞壁，特别是其中的果胶成分，通过电荷选择性滞留（主要截留带正电的PS-NH2NPs）和NPs诱导的细胞壁重塑（果胶富集、半纤维素I沉积），动态调控了不同电荷NPs在根系和地上部的分配，导致PS-COOH NPs具有更高的吸收和向地上部转运的能力。这揭示了植物应对NPs胁迫的一种适应性机制，即通过细胞壁的物理化学特性来选择性限制有害NPs的进入和转运。该发现为评估NPs在农业生态系统中的食物链风险提供了重要的机制性见解，强调了在评估塑料污染对粮食安全影响时，必须考虑NPs的表面特性。未来研究需关注更低浓度、更接近真实环境条件下的NPs行为，并在不同作物中验证这些机制的普适性。
