《Plant Nano Biology》：Comparative assessment of chemically synthesized and beeswax waste derived green synthesized iron and zinc nanoparticles for mitigating lead toxicity in
Calendula officinalis L.
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本研究对化学合成法与蜂蜡废弃物绿色合成的铁（Fe）和锌（Zn）纳米颗粒（NPs）在缓解金盏花（Calendula officinalis L.）铅（Pb）毒性方面的效果进行了比较评估。研究人员利用蜂蜡废弃物提取物成功合成了功能性铁纳米颗粒（Fe-GrNPs）和
本研究对化学合成法与蜂蜡废弃物绿色合成的铁（Fe）和锌（Zn）纳米颗粒（NPs）在缓解金盏花（Calendula officinalis L.）铅（Pb）毒性方面的效果进行了比较评估。研究人员利用蜂蜡废弃物提取物成功合成了功能性铁纳米颗粒（Fe-GrNPs）和锌纳米颗粒（Zn-GrNPs）。实验采用双因素完全随机设计，设置两个铅水平（0和300 mg L-1）和五种纳米颗粒处理（对照、Fe-GrNPs、化学合成铁纳米颗粒（Fe-ChNPs）、Zn-GrNPs和化学合成锌纳米颗粒（Zn-ChNPs）），所有纳米颗粒施用浓度为100 mg L-1。结果表明，两种纳米颗粒均能通过改善生长响应来缓解铅毒性。其中，Zn-GrNPs在减少铅积累和根部向地上部转运方面效果最为显著，使地上部铅浓度降低约56%，转运因子（TF）降至最低水平（1.50）。此外，纳米颗粒处理显著增强了铅胁迫下关键抗氧化酶（过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽还原酶（GR））的活性，同时降低了丙二醛（MDA）含量。主成分分析（PCA）进一步证实，Zn-GrNPs处理与生长参数和抗氧化酶活性呈强正相关，而与铅积累和脂质过氧化指标呈负相关。研究认为，铅胁迫缓解涉及生理和生化防御通路的改善，而绿色合成纳米颗粒因其生物相容性和表面功能基团而表现出更优的性能。本研究首次将蜂蜡废弃物用于铁和锌纳米颗粒的绿色合成，为其在重金属胁迫缓解中的应用提供了可持续策略。
研究背景与科学问题
重金属污染是威胁农业生产、生态系统稳定和粮食安全的关键非生物胁迫因素之一，其中铅（Pb）作为一种植物非必需元素，无已知生物学功能。铅被植物根系吸收后易转运至地上组织，扰乱光合作用、营养吸收及细胞代谢稳态，并通过诱导活性氧（ROS）过量积累引发脂质、蛋白质和核酸的氧化损伤。尽管植物演化出根际离子排斥、液泡区室化和植物螯合素结合等内在解毒机制，但在高铅负荷下这些机制往往不足以维持正常生长，亟需外部干预手段增强植物耐性。
纳米技术为缓解重金属毒性提供了新途径，其中铁（Fe）和锌（Zn）纳米颗粒（NPs）因参与叶绿素合成、电子传递和氧化还原平衡调控而备受关注。然而，纳米颗粒的合成方法直接影响其效能与环境影响。传统化学合成法依赖有毒试剂和高能耗，而绿色合成利用天然生物体系作为还原剂和稳定剂，具有更高的生物相容性和生态友好性。农业残余物作为绿色合成原料尚未被充分利用，尤其是蜂蜡废弃物（BW）——养蜂业的副产品，富含脂肪酸、酯类和多酚等活性化合物，具备天然的还原和封端潜力。截至目前，尚无研究探索利用蜂蜡废弃物绿色合成铁和锌纳米颗粒并将其用于缓解植物重金属胁迫。
基于上述空白，本研究旨在：（1）利用蜂蜡废弃物提取物绿色合成铁纳米颗粒（Fe-GrNPs）和锌纳米颗粒（Zn-GrNPs）；（2）将其性能与化学合成对应物（Fe-ChNPs和Zn-ChNPs）进行比较；（3）评估它们在减轻金盏花（Calendula officinalis L.）铅毒性中的有效性。金盏花兼具观赏、药用价值和较高的铅吸收能力，是评估纳米颗粒介导胁迫缓解的理想模式植物。
关键技术方法概述
研究人员采用蜂蜡废弃物水提物作为还原和稳定剂，分别以氯化亚铁/氯化铁混合溶液和硝酸锌为前驱体，通过pH调控和加热搅拌合成了Fe-GrNPs和Zn-GrNPs。利用紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、动态光散射（DLS）、场发射扫描电镜-能量色散X射线光谱（FESEM-EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和振动样品磁强计（VSM）对纳米颗粒进行表征。盆栽实验采用双因素完全随机设计（CRD），设两个铅水平（0和300 mg L-1 Pb(NO3)2）和五种纳米颗粒处理（对照、Fe-GrNPs、Fe-ChNPs、Zn-GrNPs、Zn-ChNPs），所有纳米颗粒施用量为100 mg L-1。种子经表面消毒后在半强度Hoagland营养液中水培21天，测定地上部和根部干重、铅浓度与含量、转运因子（TF）、丙二醛（MDA）含量以及四种抗氧化酶活性。数据采用SAS 9.4软件进行方差分析（ANOVA）和Tukey检验（α=0.05），并使用Minitab 16进行主成分分析（PCA）。
研究结果
3.1 绿色合成Fe-NPs和Zn-NPs的表征确认
通过反应体系的颜色变化（Fe-GrNPs由棕变黑、Zn-GrNPs由柠檬黄变乳白）初步验证了纳米颗粒形成。UV-Vis光谱显示Fe-GrNPs和Zn-GrNPs分别在249 nm和352 nm处出现特征表面等离子体共振（SPR）峰。FESEM图像表明Fe-GrNPs平均粒径为10.6±2.4 nm，Zn-GrNPs为45.88±8.18 nm；EDX谱图分别检测到Fe/O和Zn/O的特征峰，证实了产物纯度。DLS测得水合动力学直径分别为200.7 nm（Fe-GrNPs）和186.3 nm（Zn-GrNPs），Zeta电位均为负值（-13.1 mV和-6.27 mV），表明胶体具有一定稳定性。XRD图谱显示Fe-GrNPs和Zn-GrNPs的衍射峰分别与磁铁矿（Fe3O4，JCPDS 00-003-0863）和氧化锌（ZnO，JCPDS 36-1451）标准卡片吻合，Scherrer公式计算晶粒尺寸分别为20.8 nm和27.7 nm。FTIR分析表明C-H、O-H、N-H、C-C、C-O和C=C等官能团参与了金属离子的还原和纳米颗粒的生物合成。VSM测试显示Fe-GrNPs饱和磁化强度为40 emu/g，呈现超顺磁性行为。
3.2 植物生长与生化特性
3.2.1 地上部干重：铅胁迫显著降低所有处理的地上部干重，对照组降幅最大（约46%），Zn-GrNPs处理降幅最小（约29%）。无论是否施加铅胁迫，Zn-GrNPs均获得最高地上部干重，较对照分别提高约53%（非胁迫）和102%（胁迫）。铅胁迫下，Zn-GrNPs比Fe-GrNPs高出约40%。
3.2.2 根部干重：铅胁迫下根部干重普遍下降，对照组降幅达41%，Zn-GrNPs处理降幅最小（24%）。所有纳米颗粒处理均提高了铅胁迫下的根部干重，Zn-GrNPs增幅最大（64%），且在非胁迫条件下也表现最优（增加21.5%）。
3.2.3 地上部铅浓度：所有纳米颗粒处理均显著降低地上部铅浓度，Zn-GrNPs效果最佳，使铅浓度降至44 μg g FW-1，较对照减少约56%。Fe-ChNPs、Fe-GrNPs和Zn-ChNPs分别降低约29%、40%和36%。
3.2.4 根部铅浓度：各纳米颗粒处理均降低了根部铅浓度，绿色合成形式的降幅略大于化学合成形式。Zn-GrNPs和Fe-GrNPs分别使根部铅浓度降低约27%和17%。
3.2.5 地上部和根部铅含量：绿色合成纳米颗粒显著降低了地上部铅含量，其中仅Zn-GrNPs与其他处理差异显著。全株总铅含量在各纳米颗粒处理间无显著差异。
3.2.6 转运因子（TF）：对照组TF最高（3.42），Zn-GrNPs处理TF最低（1.50），Fe-GrNPs（1.59）和Fe-ChNPs（1.79）居中。Zn-ChNPs处理TF（2.97）与对照组无显著差异。
3.2.7 脂质过氧化（MDA）：非胁迫条件下各处理MDA含量无显著差异。铅胁迫下对照组MDA最高（57.39 μmol g-1 FW），Zn-GrNPs处理降幅最大（54%），且显著优于其他处理。Fe-ChNPs、Fe-GrNPs和Zn-ChNPs间无显著差异。
3.2.8 酶活性：铅胁迫显著刺激了所有处理的抗氧化酶活性。Zn-GrNPs在铅胁迫下表现出最高的CAT（0.861 unit mg-1 protein）、APX、GPX和GR活性。绿色合成形式（特别是Zn-GrNPs）在促进APX和GR活性方面优于化学合成形式。GPX活性在Zn-GrNPs处理下较对照提高约3.88倍。
3.3 主成分分析（PCA）
PCA前两个主成分解释了93.0%的总变异（PC1: 76.9%，PC2: 16.1%）。PC1将铅胁迫与非胁迫处理清晰分离。地上部干重、根部干重、花朵鲜重及四种抗氧化酶活性与PC1正相关，而铅含量、TF和MDA与PC1负相关。Zn-GrNPs处理与生长参数和抗氧化酶活性呈强正相关，而铅胁迫下的对照组与高铅积累、高TF和高MDA密切相关。
讨论与结论
讨论部分指出，蜂蜡废弃物提取物成功合成了纳米尺度的Fe-GrNPs和Zn-GrNPs，其物理化学性质（如晶体结构、表面官能团和磁响应性）与已有生物合成报道一致。绿色合成相比化学合成减少了有害副产物并增强了生物相容性，体现了农业-养蜂残余物循环利用的可持续价值。铅胁迫导致的生物量下降和氧化应激（MDA升高）被纳米颗粒有效缓解，其中Zn-GrNPs在促进生长、降低铅积累与转运以及激活抗氧化酶网络方面表现最优，这归因于锌在酶辅因子功能和膜稳定性中的作用，以及绿色合成引入的表面生物分子可能增强了纳米颗粒与植物细胞的互作效率。
研究结论：本研究表明，蜂蜡废弃物可作为一种有效的绿色合成原料，用于制备功能性铁和锌纳米颗粒。与化学合成纳米颗粒相比，绿色合成的Fe-GrNPs和Zn-GrNPs在缓解金盏花铅毒性方面表现出更优或相当的效果。其中，Zn-GrNPs在促进植株生长、降低铅积累与转运、抑制脂质过氧化以及激活抗氧化防御系统方面最为有效。该研究首次将蜂蜡废弃物用于铁和锌纳米颗粒的绿色合成，为重金属胁迫缓解提供了可持续的策略，并拓展了农业残余物在高附加值纳米材料生产中的应用前景。
