氧化镍纳米颗粒(NiO-NPs)对阿特拉津(ATZ)在大豆中毒性和累积的影响

《Emerging Contaminants》：Effect of nickel oxide nanoparticles on the toxicity and accumulation of atrazine in soybean

　　

氧化镍纳米颗粒(NiO-NPs)可能影响环境中污染物的行为，并影响植物的养分吸收和生长。在本研究中，研究人员研究了NiO-NPs对大豆吸收阿特拉津(ATZ)的影响及机制。结果表明，NiO-NPs抑制了大豆对ATZ的吸收。NiO-NPs对ATZ累积和大豆胁迫响应的影响具有浓度依赖性。在5和50 mg/kg浓度下，NiO-NPs降低了ATZ累积并缓解了ATZ诱导的大豆氧化应激，而在100 mg/kg浓度下，则增加了ATZ累积并加剧了氧化应激。代谢组学分析揭示了与处理相关的大豆根部代谢谱变化。宏基因组学分析显示，共暴露改变了根际微生物群落组成并降低了α多样性。与单独ATZ处理相比，50 mg/kg NiO-NPs + ATZ处理与更高相对丰度的硝化螺菌目(Nitrospirales)和特定氮循环基因相关；然而，这些变化表明群落组成和功能潜力的改变，而非氮循环活性增强的直接证据。研究人员的发现表明，NiO-NPs对大豆中ATZ累积和胁迫响应产生了浓度依赖性效应，强调了在评估其与除草剂在植物-土壤系统中的相互作用时剂量的重要性。

**论文解读：氧化镍纳米颗粒调控大豆中阿特拉津累积与毒性的浓度依赖性机制**

**研究背景与问题**
氧化镍纳米颗粒(NiO-NPs)因其催化、电化学及生物工程特性被广泛生产和使用，年产量在美国估计约20吨。NiO-NPs可通过大气沉降、污水灌溉和污泥施用进入土壤，对植物和人类健康构成潜在风险。我国农业土壤中镍(Ni)是仅次于镉(Cd)的第二大重金属污染物，同时Ni也是植物必需微量元素，但其浓度过高会引发毒性。阿特拉津(ATZ)是一种广泛使用的三嗪类除草剂，在玉米-大豆轮作中残留可对敏感作物大豆造成氧化损伤、抑制光合作用并阻碍生长。现有研究表明，纳米颗粒与除草剂的相互作用可改变污染物累积和生物效应，但此类效应依赖于颗粒组成、污染物性质及暴露条件。例如，聚苯乙烯纳米塑料与有机污染物共暴露产生复合效应，NiO-NPs可降低蚯蚓体内ATZ累积和氧化损伤，而聚合物纳米载体则改变草甘膦的递送效果。然而，这些来自纳米塑料、土壤无脊椎动物和除草剂载体的研究结论无法直接外推到暴露于游离NiO-NPs和土壤残留ATZ的作物。因此，NiO-NPs是否改变大豆对ATZ的累积和胁迫响应，以及其效应是否与微米级NiO和可溶性NiSO₄不同，仍不清楚。本研究旨在探究不同浓度(5、50、100 mg/kg)NiO-NPs对大豆中ATZ累积和胁迫响应的影响，并比较其与微米NiO和NiSO₄的差异。研究人员假设NiO-NPs以浓度依赖性方式影响ATZ累积和毒性，且其效应因颗粒大小和Ni可利用性而异。

**研究总结与意义**
研究人员通过盆栽实验，将大豆种植于添加ATZ(500 μg/kg)和不同形态Ni(NiO-NPs、微米NiO、NiSO₄)的土壤中，测定ATZ和Ni累积、生理生化指标、基因表达、根代谢组及根际微生物宏基因组。结果表明，低浓度(50 mg/kg)NiO-NPs促进大豆生长并降低ATZ累积，而高浓度(100 mg/kg)则抑制生长并增加ATZ累积，揭示了浓度依赖性的双重效应。该研究为理解纳米颗粒-除草剂-植物系统的相互作用提供了机制见解，并提示低浓度NiO-NPs可能具有缓解除草剂毒性的潜在应用。论文发表在《Emerging Contaminants》。

**关键技术与方法**
研究人员采用以下主要技术方法：使用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和激光粒度分析仪表征颗粒形态与粒径；通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定Ni含量；采用单颗粒ICP-MS(SP-ICP-MS)区分颗粒态与离子态Ni；利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)定量ATZ浓度；使用商业试剂盒检测活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)、谷胱甘肽(GSH)、细胞色素P450(CYP450)、吲哚-3-乙酸(IAA)、谷氨酸合酶(GOGAT)和硝酸还原酶(NR)活性；通过反转录定量PCR(RT-qPCR)分析CYP450、GST14、GOGAT和IAA基因的相对表达；采用非靶向代谢组学(超高效液相色谱-质谱联用)分析根部代谢物；利用宏基因组测序分析根际土壤微生物群落组成与功能基因。样本来源：土壤采自中国长春市无ATZ施用历史的农田表层土；大豆种子购自山东种子公司。

**研究结果**

**3.1 ATZ与颗粒态NiO及离子态Ni在大豆中的累积**
通过ICP-MS和GC-MS测定，发现ATZ在根中的浓度高于茎中，且随时间降低。50 mg/kg的NiO-NPs、微米NiO和NiSO₄均降低了大豆根对ATZ的吸收，其中NiO-NPs处理组(TM3)的ATZ水平最低；而100 mg/kg处理则增加ATZ累积。Ni含量测定显示，NiO-NPs可被根吸收并转运至叶片，但大部分滞留在细胞壁，极少进入细胞内部。SP-ICP-MS结果证实，根和茎中大部分Ni以颗粒态形式存在。

**3.2 ATZ与Ni对大豆酶活性的影响**
通过生化试剂盒检测，与单独ATZ处理(T1)相比，50 mg/kg NiO-NPs+ATZ(TM2)使根和茎中ROS分别降低6.6%和6.8%，MDA变化极小，而GSH分别增加78.0%和70.6%，CYP450增加29.2%和27.8%。100 mg/kg处理(TH2)则使ROS增加约40%，MDA增加约56%，GSH和CYP450均低于TM2。IAA、GOGAT和NR活性也呈现类似浓度依赖性：50 mg/kg处理提高NR活性(根+36.2%，茎+20.4%)，而100 mg/kg则降低。这些结果表明，50 mg/kg NiO-NPs增强了解毒相关响应，100 mg/kg则加剧氧化应激。

**3.3 ATZ与NiO-NPs对根基因表达的影响**
通过RT-qPCR分析，50 mg/kg NiO-NPs+ATZ处理(TM2)的CYP450和GST14基因相对表达量高于对照组(CK)和其他ATZ处理组；而100 mg/kg Ni处理抑制了这些基因的表达。GOGAT基因在ATZ暴露后表达上调，IAA基因仅在NiO-NPs/ATZ处理(T2)中未受抑制。总体而言，转录响应进一步支持了浓度依赖性解毒和应激途径的参与。

**3.4 ATZ与NiO-NPs诱导的大豆根代谢物变化**
通过非靶向代谢组学分析，主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)显示，不同处理组间代谢谱显著分离。与CK相比，ATZ单独处理(T1)扰乱了8条生物途径，包括黄酮和黄酮醇生物合成、类黄酮生物合成、核黄素代谢、色氨酸代谢、类胡萝卜素生物合成、嘧啶代谢和嘌呤代谢。所有ATZ处理均富集了色氨酸代谢途径。50 mg/kg NiO-NPs+ATZ处理(TM2)的代谢谱与T1不同，提示代谢重编程，包括与脱落酸(ABA)相关的代谢物响应。

**3.5 ATZ与NiO-NPs对根际土壤微生物群落的影响**
宏基因组测序显示，处理组间根际微生物群落结构显著分离(P<0.01)。Shannon多样性指数在CK、T1和TM2中分别为3.674、3.485和3.734，但多重比较校正后差异不显著。在门水平，假单胞菌门(Pseudomonadota)、放线菌门(Actinomycetota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)和酸杆菌门(Acidobacteriota)为优势菌门。ATZ单独处理增加假单胞菌门丰度，降低放线菌门丰度。值得注意的是，50 mg/kg NiO-NPs+ATZ处理(TM2)中硝化螺菌目(Nitrospirales)的相对丰度显著高于T1。氮循环功能基因分析显示，与T1相比，TM2中部分氮固定和硝化相关基因的丰度发生改变，但仅表明群落功能和遗传潜力的变化，而非直接证据。

**讨论与结论**
讨论部分指出，低浓度NiO-NPs通过增强抗氧化系统(如GSH和CYP450)、促进ABA代谢(虽未直接证明代谢增强，但代谢组学提示ABA相关响应)以及增加根际土壤中与养分循环相关的微生物(如Nitrospirales)丰度，降低了ATZ累积和毒性；而高浓度NiO-NPs则因过度Ni胁迫抑制解毒响应，加剧ATZ毒性。研究强调，需在环境相关浓度、多种土壤和品种及田间条件下验证这些响应的可重复性和长期风险。

**结论翻译**：NiO-NPs对大豆中ATZ的累积表现出浓度依赖性效应。低浓度(5 mg/kg和50 mg/kg)NiO-NPs通过增强抗氧化系统活性、促进ABA代谢以及增加根际土壤中与微生物相关土壤养分循环的微生物相对丰度，降低了大豆中ATZ的累积。NiO-NPs减轻了ATZ对大豆的细胞和分子毒性效应，并调节了其动力学和毒性。相反，高浓度NiO-NPs增强了ATZ的毒性效应，并增加了大豆中ATZ的累积。研究人员的发现揭示了NiO-NPs对植物吸收农药的影响，并为低浓度纳米颗粒在缓解谷物除草剂毒性方面的潜在应用提供了见解。