土壤来源的蛋白冠调控水稻中纳米塑料的行为及生物学效应

《Environmental Research》：Soil-derived protein corona modulates the behavior and biological effects of nanoplastics in rice

　　摘要要点• 通过共聚焦成像确认了纳米塑料蛋白冠在水稻根部的吸收。• 土壤来源的蛋白质在水稻吸收纳米塑料的过程中，在纳米塑料表面形成了持久稳定的蛋白冠。• 蛋白冠造成的植物毒性显著高于未经修饰的纳米塑料。• 蛋白冠重塑了纳米塑料的生物学身份及其在根部的分布。• 蛋白冠通过不同的机制重新调控了植物的防御与生长通路。引言排放到环境中的塑料废物会逐渐破碎为微塑料和纳米塑料，后者已成为一类新型环境污染物。纳米塑料通常被定义为直径小于100纳米的塑料颗粒，其具有尺寸极小、比表面积大以及环境持久性强等特征[1]。由于这些特性，纳米塑料表现出较高的环境迁移能力，并在水生和陆地生态系统中被广泛检出[2]、[3]。越来越多的证据表明，纳米塑料能够进入植物、动物和微生物体内[4]、[5]、[6]，从而对生态系统健康构成潜在风险。然而，纳米塑料在陆地植物系统中的环境行为及其生态效应仍然缺乏深入了解。一旦纳米塑料进入土壤环境，它们不可避免地暴露于由矿物质、微生物、植物残体、溶解性有机质、蛋白质、多糖、腐殖质以及各种代谢物组成的复杂基质中[7]。由于其较高的表面能和强吸附能力，纳米塑料表面会迅速吸附周围生物分子，形成"生态冠"[8]、[9]。这种生物分子冠可以改变纳米颗粒的表面性质、稳定性以及与生物界面的相互作用，从而影响其在植物中的吸收及植物毒性[10]、[11]、[12]。因此，阐明土壤来源蛋白冠的形成过程及其生物学意义，对于理解纳米塑料在土壤-植物系统中的环境行为和植物毒性机制至关重要[12]。在土壤中存在的大量生物分子中，蛋白质是土壤有机质中重要且反应活性较高的组成部分。土壤蛋白来源于微生物、植物残体、根系分泌物和胞外酶，其富含大量官能团，能够与纳米颗粒表面发生强烈的相互作用[13]。蛋白冠的概念在生物医学领域已被广泛研究，被认为是一个决定纳米颗粒运输、细胞识别、吸收效率、生物分布和毒性的关键因素[14]。类似地，新兴研究表明，环境介质中形成的生物分子冠能够显著影响工程纳米材料的归趋和生物学效应。然而，目前关于纳米塑料蛋白冠的认知主要集中在 aquatic 环境和动物系统中[15]。相比之下，陆地生态系统中土壤来源蛋白冠的形成特征和生态功能仍知之甚少。本研究以水稻（Oryza sativa L.）作为代表作物，研究土壤来源蛋白冠在调控纳米塑料行为及其生物学效应中的作用。通过将氨基修饰和羧基修饰的聚苯乙烯纳米塑料与土壤提取蛋白共孵育形成蛋白冠，并采用理化分析对其进行表征。利用双荧光共聚焦显微镜追踪其在水稻中的吸收、转运和分布，并通过定量共定位分析评估冠层在植物运输过程中的稳定性。本研究评估了植物的生理响应，包括生长、抗氧化防御和脂质过氧化，并进行转录组分析以探索分子机制。本研究提供了证据，表明与土壤来源蛋白冠结合的纳米塑料可被水稻根部有效吸收，并影响其植物毒性效应。章节摘要纳米塑料与土壤蛋白的提取采用直径为100纳米的单分散荧光聚苯乙烯纳米塑料作为测试纳米塑料，购自天津大仪公司。本研究使用了两种表面功能化纳米塑料，包括氨基修饰的聚苯乙烯纳米塑料（PSN）和羧基修饰的聚苯乙烯纳米塑料（PSC）[16]。两种纳米塑料均标记有绿色荧光，激发和发射波长分别为488纳米和518纳米。土壤样本采集自……纳米塑料与蛋白冠修饰纳米塑料的表征如图S1所示，AFM成像显示PSN和PSC纳米塑料均呈现典型的球形形态。原始纳米塑料和蛋白冠修饰纳米塑料的理化性质汇总于表S1中。结果显示，PSN和PSC的实际粒径总体上与其标称直径100纳米基本一致。蛋白冠形成后，PSN-PC和PSC-PC的粒径分别增大至140.2 ± 6.7纳米和132.6 ± 4.7纳米。结论我们的结果揭示了土壤来源蛋白冠在调控纳米塑料行为及其在水稻中的植物毒性机制方面的重要作用。结果表明，土壤蛋白能够稳定吸附于具有不同表面修饰的纳米塑料上，显著改变其理化性质、胶体稳定性和团聚行为。双荧光共定位成像提供了直接证据，表明蛋白冠在整……作者贡献声明李静：论文撰写——审阅与编辑、监督。孙盈坤：论文撰写——审阅与编辑、监督。鸾亚宁：论文撰写——审阅与编辑、监督、经费获取。陶科杰：调查研究、方法论、资源。韩阳：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、验证、资源、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。未引用参考文献[58]利益冲突声明? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。杨阳 | 李静 | 孙盈坤 | 陶科杰 | 鸾亚宁