《Journal of Hazardous Materials》：Fe?O? Nanoparticles Alleviate Florfenicol-Induced Phytotoxicity in Soybean Seedling through Multi-Level Regulation of Photosynthesis, Carbon Metabolism, and Nutrient Homeostasis
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•氟苯尼考会抑制大豆的光合作用、碳代谢和营养平衡•Fe?O?纳米颗粒能够在胁迫条件下恢复叶绿素的合成和Rubisco的活性•Fe?O?纳米颗粒能够调节氟苯尼考胁迫下的碳代谢和次级代谢•Fe?O?纳米颗粒能够恢复大豆中Fe、Mg、K、Cu和Zn的稳态•Fe?O?纳米颗粒能够缓解氟苯
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氟苯尼考会抑制大豆的光合作用、碳代谢和营养平衡
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Fe?O?纳米颗粒能够在胁迫条件下恢复叶绿素的合成和Rubisco的活性
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Fe?O?纳米颗粒能够调节氟苯尼考胁迫下的碳代谢和次级代谢
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Fe?O?纳米颗粒能够恢复大豆中Fe、Mg、K、Cu和Zn的稳态
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Fe?O?纳米颗粒能够缓解氟苯尼考引起的大豆植物毒性
引言
现代农业中兽医抗生素的广泛使用已成为一个主要的环境问题。大约30%至90%被牲畜摄入的抗生素会以原始形式通过粪便和尿液排出[1]，这成为了植物吸收抗生素的主要途径[2]。氟苯尼考是一种广谱抗生素，在畜牧业中广泛应用，由于粪肥施用和灌溉，其在农业土壤中频繁被检测到[3]。研究报道，在牲畜粪便中的氟苯尼考浓度为129.79–935.56 μg/kg[4]，在农田土壤中可高达11.4 μg/kg[5]，在水产养殖场周围的水体中甚至可达到11.10 mg/L[6]。值得注意的是，这表明在点源污染情况下，氟苯尼考的浓度可能会显著升高。
研究表明，氟苯尼考会抑制根系伸长和养分吸收，破坏叶绿体的超微结构，阻断光合作用的电子传递链[7][8]，并干扰参与蔗糖合成和降解的关键酶，从而扰乱糖代谢的稳态[9]。然而，尽管已经记录了氟苯尼考对植物的毒性作用，但有效的缓解策略仍然缺乏，其对碳代谢的具体干扰机制也尚未完全理解。
纳米技术已被广泛应用于农业和环境修复[10][11]。由于其高比表面积和反应活性，纳米材料（NMs）在作物生产中显示出显著的价值[12]。纳米材料可以吸附有害物质，优化根际环境，并通过调节细胞内元素水平来促进养分吸收[13]。此外，纳米材料还可以通过抗氧化激活或污染物吸附等机制来缓解植物胁迫[14][15]。
基于铁的纳米颗粒（Fe-NPs）因其独特的物理化学性质和与植物生理过程的兼容性而受到特别关注[16]。铁对植物生长至关重要，在呼吸作用、DNA合成和叶绿素合成中发挥关键作用[17]。它是光合作用电子传递链中铁硫蛋白和细胞色素的关键组成部分[18]。在光反应过程中，含铁的蛋白质确保了光系统I和II中的高效电子传递[19]，将光能转化为化学能（ATP和NADPH）[20]。此外，铁还是Rubisco活化的辅因子，并调节Calvin循环的关键步骤[21]。然而，以往的研究主要关注Fe-NPs对植物生长的积极作用，对其逆转抗生素引起的碳代谢紊乱的能力关注有限，其综合机制仍不甚明了。
虽然氟苯尼考的植物毒性和基于铁的纳米颗粒促进生长的现象已有个别报道，但尚未在抗生素胁迫下的大豆中建立光合作用恢复、碳代谢、酶调节、基因表达和营养稳态的全面多层次整合机制。为填补这一空白，选择了Fe?O?-NPs，因为铁直接参与叶绿素合成、光合作用电子传递和Rubisco介导的碳同化。本研究系统地描述了Fe?O?-NPs在缓解大豆（Glycine max (L.) Merr.）氟苯尼考胁迫中的作用机制。研究重点关注四个方面：（1）对光合作用性能的影响，包括叶绿素荧光特性、色素合成和关键酶活性；（2）碳代谢的调节，特别是糖中间体的含量、与合成和转化相关的酶活性以及光合产物的分布；（3）恢复对碳同化和能量代谢至关重要的营养素稳态（Mg、K、Cu、Zn）；（4）通过代谢组学分析阐明调控途径。这些发现提供了一个综合的机制框架，联系了光合作用恢复、碳代谢、基因调节和营养稳态，从而加深了我们对基于铁的纳米材料如何在抗生素污染环境中保护作物生产力的理解。
部分摘录
纳米材料的制备与表征
Fe?O?磁性纳米颗粒（Fe?O?-NPs）是通过化学共沉淀方法合成的[22]。详细步骤见文本S1。
使用扫描电子显微镜（SEM，Hitachi Regulus 8100，日本）观察了Fe?O?-NPs的形态和尺寸。使用纳米颗粒分析仪（Malvern Instruments Inc，英国）测定了Fe?O?-NPs的流体动态直径和ζ电位。采用X射线衍射仪（XRD，Rigaku SmartLab SE）分析了其晶体结构
Fe?O?-NPs的合成与表征
Fe?O?-NPs是通过化学共沉淀方法合成的（图1a）。SEM图像显示产物为球形结晶纳米颗粒（图1b–d），DLS分析显示平均流体动态直径为81.9 nm，表明在溶液中分散均匀（图1g）。XRD分析进一步确认了其相组成，显示出在2θ = 18.3°、30.1°和35.5°处的明显衍射峰，对应于立方晶系的（111）、（220）和（311）晶面
结论
农业土壤中的抗生素污染对作物生产构成了日益严重的威胁，但有效的缓解策略仍然有限。本研究系统地描述了Fe?O?-NPs通过多层次调控机制缓解大豆氟苯尼考胁迫的作用。我们的发现表明，Fe?O?-NPs通过协调调节叶绿素合成、光合作用电子传递和Rubisco等过程，恢复了光合作用碳代谢和营养稳态
环境影响
氟苯尼考残留物的多层面植物毒性效应突显了其在农业土壤中的生态风险。重要的是，Fe?O?-NPs通过恢复叶绿素合成、Rubisco活性、碳代谢和矿物质平衡，同时重新编程防御相关代谢途径，有效缓解了其不良影响。尽管本研究中使用的2 mg/kg浓度是用于机制研究的IC??值，高于典型环境浓度
CRediT作者贡献声明
杜少婷：撰写 – 审稿与编辑，监督。赵文路：监督。刘慧军：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。李志恒：监督。朱雅欣：撰写 – 审稿与编辑。吴金：撰写 – 初稿，实验研究。冯杰：撰写 – 初稿，实验研究。
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号42307040, 42177265）和浙江省新苗（New Seedling）人才计划（2025R408C083）的财政支持。
本研究建立了一个系统级框架，整合了生理学、酶学、转录组学、代谢组学和营养参数，证明Fe?O?纳米颗粒能够缓解大豆中的氟苯尼考植物毒性。我们的发现提供了全面的证据，证明Fe?O?-NPs能够恢复...
Jin Wu|Jie Feng|Zhiheng Li|Yaxin Zhu|Wenlu Zhao|Huijun Liu|Shaoting Du
