不同粒径氧化铁纳米粒子对小麦（Triticum aestivum）的遗传毒性和生理学评估

《South African Journal of Botany》：Genotoxicity and physiological assessment of iron oxide nanoparticles with different particle sizes on wheat ( Triticum aestivum)

　　

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  IONPs的遗传毒性取决于浓度和粒径。
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  与对照组相比，剂量低于1000 mg/L的IONPs促进了小麦生长。
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  NP20和NP50使光合活性提高了40–80%，叶片总色素提高了约26–30%。
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  与NP20和NP50相比，NP100对根尖细胞膜的破坏更为严重。
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  NP20和NP50在≥2000 mg/L时诱导了遗传毒性；但NP100未诱导。

引言

氧化铁纳米颗粒（IONPs）因其独特的化学和磁性特性而被广泛应用。这些应用包括磁共振成像（L?ndahl等，2017年）、药物递送系统（Dhavale等，2018年）和环境治理（Singh等，2022年）。经美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于人体的基于IONP的纳米药物数量显著增加（Bobo等，2016年）。一个相关的例子是Feridex?（ferumoxides），一种葡聚糖包被的IONP，被批准作为识别肝脏病变的成像造影剂（Bulte，2009年）。Feraheme?（ferumoxitol）也获准用于治疗慢性肾脏病患者的缺铁性贫血（Wang等，2015年；Feng等，2018年）。此外，IONPs还作为农业中的纳米农药使用，有益于土壤生物（Tao等，2023年）。尽管IONPs有各种应用，但释放到环境中会带来污染土壤和水系统的风险。

据Tao等（2023年）汇编，大量研究已证实IONPs对土壤生物（即细菌、植物、线虫和蠕虫）的影响。此外，各种研究还考察了IONPs的潜在毒性效应（Liu等，2013年；Abakumov等，2018年；Feng等，2018年；de PF Dantas等，2024年）。令人惊讶的是，磁性Fe?Oy纳米颗粒在人体血液和脑组织中被发现，引发了对其可能参与神经退行性疾病的担忧（Plascencia-Villa等，2016年；Yang等，2024年）。研究人员还证实这些纳米颗粒存在于人心、血清和胸腔积液中（Maher等，2016年；Calderón-Garcidue?as等，2019年；Lu等，2020年；Calderón-Garcidue?as和Ayala，2022年）。此外，IONPs影响水生生态系统、水质、土壤微生物组和植物发育（Bombin等，2015年；Wang等，2016年；Tao等，2023年）。因此，研究人员应仔细评估IONP向食物链的转移及其潜在毒性。

纳米颗粒的特性，如流体力学尺寸、形状、电荷、元素组成和磁性，决定了其在植物中的吸收和转运（Ragavendran，2025年；Imath等，2025年；Wu和Li，2022年）。植物类型是另一个变量。例如，内部尺寸排阻屏障的差异，如膜、细胞壁孔隙度、胞间连丝和角质层，是纳米颗粒内化的主要因素（Avellan等，2022年；Wu和Li，2022年）。植物对纳米颗粒迁移的屏障包括细胞膜、细胞壁、角质层、凯氏带、膜孔和筛板。影响纳米颗粒吸收的其他因素包括根系分泌物组成、细胞壁孔隙度、胞间连丝孔径和长度、蒸腾速率和膜电位（Wu和Li，2022年）。

IONPs在植物生产中也有前景，因为铁是叶绿素的组成部分，参与有助于增强光合作用和其他生理过程的酶促反应（Manzoor等，2021年）。IONPs对各种植物的影响已被研究，包括小麦（Al-Amri等，2020年）、黄花草木樨（Medicago falcata L.）（Kokina等，2020年）、大麦（Hordeum vulgare L.）（Tombuloglu等，2019年）、萝卜（Raphanus sativus L.）和绿豆（Vigna radiata）（Kataria等，2025年）。尽管已有大量研究探讨了IONPs在植物中的作用（Valdiglesias等，2015年；Kokina等，2020年；Hoffmann等，2022年），但很少有研究评估粒径的影响。因此，本研究旨在：(i) 研究不同粒径IONPs在小麦中的遗传毒性潜力；(ii) 确定IONPs粒径对生长和光合参数的影响；(iii) 确定最耐受且有益于小麦生长的最佳IONPs粒径和剂量。为此，将小麦植物暴露于不同浓度的IONPs（0（对照）、250、500、1000、2000和4000 mg/L），其平均直径分别为小（18–20 nm）、中（30–50 nm）和大（50–100 nm），分别标记为NP20、NP50和NP100。测定了植物生理参数，包括叶绿素和类胡萝卜素含量、光合指标以及根和地上部分生长情况。此外，利用共聚焦显微镜和扫描电子显微镜检查细胞/组织结构及潜在的细胞损伤。采用随机扩增多态性DNA聚合酶链反应（RAPD-PCR）检测IONPs的遗传毒性效应。

各部分摘要

纳米颗粒/霍格兰溶液制备

三种不同尺寸范围（18–20、30–50和50–100 nm）的氧化铁纳米颗粒（IONPs）分别购自美国Research Nanomaterials公司（美国）和Alfa Aesar/赛默飞世尔科技公司（澳大利亚）。NP20（Fe₃O₄，货号：US3230）纯度≥99.5%，球形形态，深棕色，比表面积81.98 m² g^-1，平均尺寸15–20 nm。NP50（氧化铁(III)（Fe₂O₃），货号：047044）为棕色粉末，纯度>99%，比表面积41 m² g^-1。NP100（货号：047141）为黑色

氧化铁纳米颗粒的表征

图1展示了IONPs、NP20、NP50和NP100的透射电子显微镜（TEM）和粒径分布分析。NP20、NP50和NP100的平均尺寸分别为18.3 nm、54.1 nm和94.2 nm。NP20和NP100呈立方体形态，而NP50呈现针状、棒状结构。NP50的平均直径（鉴于其棒状形状，亦指宽度）为11.5 nm。如图S1所示的选择区电子衍射（SAED）图谱证实了特征性

结论

本研究表明，氧化铁纳米颗粒（IONPs）对小麦植物的生理、植物毒性和遗传毒性影响取决于粒径和浓度。较小粒径的IONPs（NP20和NP50）在500–1000 mg/L浓度下对小麦生长最有效。它们使光合活性提高了40–80%，叶片总色素提高了约26–30%。相反，较大粒径的IONPs（NP100）在所有浓度下（从250 mg/L起）均持续抑制这些参数。

伦理批准

本研究经伊玛目阿卜杜勒拉赫曼·本·法萨尔大学（IAU）机构审查委员会（IRB）批准（IRB-2024–13–524）。

参与同意

不适用。

发表同意

不适用。

资金

本研究未使用专门资金。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢Sultan Akhtar博士提供扫描电子显微镜（SEM）分析支持；感谢Moneerah Alsaeed女士在共聚焦显微镜和RAPD-PCR分析中提供的实践支持；感谢Yassin Slimani博士提供氧化铁纳米颗粒。

Huseyin Tombuloglu