纳米氧化镁通过加速根部木质化和缓解内质网应激降低微/纳米塑料的积累和毒性

《Journal of Hazardous Materials》：Nanoscale Magnesium Oxide Reduces the Accumulation and Toxicity of Micro/nanoplastics by Accelerating Root Lignification and Alleviating Endoplasmic Reticulum Stress

　　- 由MNPs诱导的内质网应激可能是番茄生长受抑制的原因之一。- MgO·NP可能增强根系屏障和木质素，与MNPs吸收量的降低相关。- MgO·NP与HSPs上调有关，并可能影响MNPs诱导的内质网应激。# 引言微塑料（MPs）污染无处不在，并对全球环境造成重大负面影响。[1] 目前，MPs已在全球海洋、陆地、大气甚至青藏高原等偏远地区的环境样本中被检测到。[2]、[3]、[4]、[5] 关于MPs污染的早期研究主要集中在海洋系统中。[6]、[7] 然而，鉴于陆地是MPs生产和排放的来源，近年来已有许多研究开始关注污染物在陆地生态系统中的归趋与效应。[8]、[9] 事实上，通过垃圾填埋场废物处理、农业地膜覆盖、农业生物固体改良和污水灌溉等人为活动，土壤中MPs的浓度急剧上升，[10] 某些严重污染区域的MPs浓度据报道高达7%。[11] 如此高的浓度凸显了陆地生态系统中MPs负担所带来的严峻挑战，对土壤、环境和公共健康构成重大威胁。[12] 在土壤中检测到的最常见MPs包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS）[13]；重要的是，目前对这些特定MPs在作物物种中的相对毒性和累积知之甚少。微/纳米塑料（MNPs）已被报道对植物具有一系列不利影响，包括延迟种子萌发、抑制植物生长、干扰光合作用、引起氧化损伤和产生遗传毒性。[14]、[15] 近期的一项分析表明，MNPs可能降低农作物的叶绿素含量并抑制光合作用，导致全球主要作物产量下降4.11%至13.52%。[16] Li等人（2020）证明植物根系可以从土壤中吸收MNPs并将其转运至地上组织。[17] 研究表明，植物吸收的MNPs可转移至后代并持续至第三代，可能导致长期不利影响。[18]、[19] 事实上，近期的工作表明，相当广泛的作物可能对MNPs累积具有敏感性，[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25] 这引发了食品安全和质量方面的担忧。Ilyas等人（2024）报道，植物中的MNPs最终可通过食物链转移并累积到人体中，[26] 导致一系列严重的健康后果，包括氧化应激、细胞因子释放、炎症和免疫介导的细胞损伤、DNA损伤，以及神经毒性和代谢效应。[27]、[28]、[29] 因此，减少MNPs吸收并防止其在作物物种中累积的策略已成为研究的关键领域。植物根内皮层中的凯氏带被认为是阻止MNPs累积和转运的主要屏障。然而，根尖被认为是MNPs吸收的关键部位，因为成熟的凯氏带尚未形成。[17] 木质素是凯氏带的重要组成部分；对其合成的干扰将导致这一关键结构屏障的形成延迟。[30] "苯丙烷生物合成"途径负责木质素的合成[31]，该途径中的几个关键基因，包括PAL、4CL和CCR，已被证明通过调节木质素产生来介导植物对胁迫的耐受性。[32]、[33]、[34] 重要的是，几项转录组学研究显示，MNPs暴露显著扰乱了"苯丙烷生物合成"途径中的基因表达，表明其在植物对MNPs胁迫反应中的核心作用。[21]、[35]、[36] 重要的是，纳米氧化镁（MgO·NP）已被证明是增强植物对逆境耐受性的有效措施，[37] 其关键作用机制之一是通过激活"苯丙烷生物合成"途径来促进木质素合成。[38] 然而，MgO·NP是否能够增强植物对MNPs胁迫和毒性的耐受性仍不清楚。番茄是全球重要的蔬菜作物，其温室和露地栽培条件均可能涉及MNPs暴露。Shi等人（2022）证明，在水培条件下，使用500 mg·kg?1的PE处理使番茄种子萌发率降低了26.11%。[39] 在土壤栽培中，施用0.2 g·kg?1和2 g·kg?1的PE和PP显著降低了番茄植株的地上部和根系生物量。[40] 此外，暴露于250和500 mg·kg?1的PS纳米塑料后，番茄细菌性枯萎病发病率分别比正常土壤处理提高了2.19和2.24倍。[41] 本研究（i）通过热解气相色谱-质谱联用（Py-GC/MS）技术调查了番茄对不同种类MNPs的吸收情况；（ii）探究了MgO·NP减少番茄根系MNPs吸收的潜力；（iii）研究了MgO·NP缓解MNPs暴露胁迫的分子机制。这项工作增加了越来越多的证据，表明MNPs对作物生长有负面影响，并突出了MgO·NP作为减轻污染物毒性和累积的可持续策略。# 各节摘要## 材料本研究使用了不同尺寸的塑料。粒径大于1 μm但小于5 mm的颗粒被定义为MPs，小于1 μm的颗粒被分类为NPs，含有MPs和NPs的混合物称为MNPs。PE、PP、PET、PVC和PS购自丰泰高分子材料有限公司（中国广州）。标称粒径为50 nm的含红色荧光标记的聚苯乙烯纳米塑料（PS·NP）和掺铕聚苯乙烯纳米塑料（PS-Eu）购自……## MNPs形态、粒径和Zeta电位与其在土壤中生长的番茄中累积的相关性本研究中使用的MNPs均带负电荷。其中，PET、PE、PS、PP和PVC的Zeta电位相似，均在-30 mV至-40 mV之间（图1H），表明塑料特异性电荷效应对累积可能不显著。在五种MNPs中，PE的粒径最大，平均粒径为4750±1470 nm。PVC的平均粒径最小，为435±16 nm。PET、PS和PP的平均粒径相似。## 结论本研究分析了五种MNPs在土壤和水培条件下番茄中的累积和毒性。结果表明，土壤中的MNPs被根系吸收并转运至地上部，抑制了植物生长。尽管暴露浓度相同，PET和PE的累积量更多，表明土壤-根系界面的复杂相互作用控制着吸收，而粒径和形态等性质也发挥作用。例如，最小的球形PVC表现出最低的……## 环境意义塑料的泛滥使微/纳米塑料（MNPs）成为土壤的主要污染物之一，通过氧化应激和生长抑制对植物造成伤害。作为全球重要的园艺作物，番茄尤其易受影响，MNPs胁迫会抑制种子萌发和发育。本研究表明，施用40 mg·kg?1的纳米氧化镁（MgO·NP）于土壤中可促进根系木质化，减少MNPs在番茄中的累积，缓解内质网应激，并且……## CRediT作者贡献声明**陶佳（Tao Jia）：** 调查研究、形式分析。**李文文（Wenwen Li）：** 可视化、方法论。**潘嘉文（Jiawen Pan）：** 撰写——初稿、可视化、概念化。**刘志国（Zhiguo Liu）：** 撰写——初稿、调查研究、形式分析、数据管理、概念化。**石清华（Qinghua Shi）：** 撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、数据管理。**Jason C. White：** 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、概念化。**刘鹏（Peng Liu）：** 撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。## 利益声明作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述工作。## 致谢本工作得到了山东省蔬菜研究体系（SDAIT-05）和山东现代农业科技产业体系（SDAIT-25-07）的支持。### 重要性声明塑料的泛滥使微/纳米塑料（MNPs）成为土壤的主要污染物之一，通过氧化应激和生长抑制对植物造成伤害。作为全球重要的园艺作物，番茄尤其易受影响，MNPs胁迫会抑制种子萌发和发育。本研究表明，施用40 mg·kg?1的纳米……---刘志刚|潘嘉文|李文文|陶佳|孙晓东|秦萌展|李润泽|刘鹏|Jason C. White|石清华