《Environment International》：Influence of polystyrene nanoplastics on the uptake and distribution of potentially toxic elements in tomato plants investigated using isotopic tracers
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气候变化、集约化农业和人口增长正加剧水资源需求，使水资源压力增大、缺水问题日益严重。经处理废水的农业灌溉回用日益被视为一种缓解策略，然而水质与食品安全问题仍受关注（Al-Hazmi等，2023）。常规废水处理技术往往无法完全去除可被食用植物吸收并进入人类食物链
气候变化、集约化农业和人口增长正加剧水资源需求，使水资源压力增大、缺水问题日益严重。经处理废水的农业灌溉回用日益被视为一种缓解策略，然而水质与食品安全问题仍受关注（Al-Hazmi等，2023）。常规废水处理技术往往无法完全去除可被食用植物吸收并进入人类食物链的污染物（Khan等，2024；Kesari等，2021）。因此，安全的水回用需要有效的风险管理、持续监测以及对残留污染物的监管控制。欧盟（EU）第2020/741号法规规定了废水回用的最低要求，包括重金属和新出现关注污染物的监测以及综合风险管理措施（Parliament, 2020）。此外，关于城市废水处理的欧盟第2024/3019号指令包含对新出现关注污染物（如微塑料（MPs））的监测和去除要求（Parliament, 2024）。其中，纳米塑料（NPs）因其持久性、日益增长的普遍性以及微小尺寸（<1 μm）而受到特别关注（Gigault等，2018）。NPs可作为污染物（包括重金属）的载体，改变其迁移性和生物有效性（Song等，2022）。其微小尺寸还使其能够穿越生物屏障并在植物组织中积累（Xie等，2023）。因此，了解食用植物对NPs的吸收及其对潜在有毒元素（PTEs）生物分布的影响，对于评估食品安全和人类健康风险至关重要。
近期研究表明，多种植物物种，包括豌豆、水稻、胡萝卜、小麦、生菜、玉米和黄瓜，能够吸收粒径范围在20 nm至1 μm、浓度在0.01至100 mg/L之间的聚苯乙烯（PS）纳米塑料（NPs）（Kim等，2022；Liu等，2022；Zhou等，2021；Dong等，2021；Lian等，2020；Luo等，2022；Lian等，2021；Sun等，2021；Li等，2021；Li等，2020；Sahai等，2024）。吸收主要通过根系经共质体途径和裂纹进入位点发生（Li等，2020），随后通过木质部驱动的运输在维管组织内转运至地上部分（Lian等，2020；Lian等，2021；Sun等，2021；Li等，2020）。吸收程度取决于NPs性质、植物种类和环境条件（Zhu等，2022；Sun等，2020；Yu等，2024）。NPs暴露可影响植物生长和生理，包括养分吸收和氧化应激响应（Yue等，2023）。然而，这些效应受到共存污染物的强烈影响。NPs与重金属之间的相互作用可改变金属的生物有效性、积累和毒性，产生协同、拮抗或中性效应。据报道，NPs可增强油菜中铜（Cu）和铅（Pb）的吸收和毒性（Jia等，2022），增加油菜芽中砷（As）的积累（Dong等，2022），并促进生菜中镉（Cd）的积累（Wang等，2021），部分归因于电荷依赖性吸附过程（Gao等，2022）。相反，NPs可降低小麦中Cu和Cd的生物有效性（Zong等，2021；Lian等，2020），而Cd可能减少欧芹根中NPs的积累和转运（Gao等，2024）。
多种分析技术已被用于研究微纳塑料（MNPs）在植物中的吸收、转运和分布，包括共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）（Wang等，2021；Gao等，2022；Zong等，2021）、扫描和透射电子显微镜（SEM、TEM）（Dong等，2021；Lian等，2020；Luo等，2022；Lian等，2021；Sun等，2021）、热裂解气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS）（Gao等，2024；Li等，2021）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）（Sun等，2021；Dong等，2022；Zong等，2021）、拉曼光谱（Li等，2020；Laptenok等，2020）以及微束X射线荧光（μ-XRF）（del Real等，2022）。然而，由于颗粒异质性、环境浓度低、植物基质复杂以及分析局限性，NPs分析仍具挑战性。荧光标记NPs被广泛用于植物组织内的可视化和追踪（Kim等，2022；Liu等，2022；Lian等，2020；Luo等，2022；Sun等，2021；Li等，2021；Sahai等，2024），但其应用受限于染料泄漏、自发荧光和化学干扰（Li等，2023）。一种替代方法是在NPs内化学包埋金属示踪剂（Mitrano等，2019），可通过ICP-MS进行高灵敏度定量。该策略已证明生菜、小麦、燕麦、树木和水生植物中NPs的吸收和转运（Luo等，2022；del Real等，2022；Zantis等，2024；Hoppe等，2023；Murazzi等，2024；Yuan等，2023）。其可靠性取决于示踪剂的稳定性，因为泄漏、植物相互作用和环境条件可能影响示踪剂行为并导致对NPs吸收和转运的不准确解释（Liu等，2024；Kutralam-Muniasamy等，2024）。
本研究旨在评估处理废水中可能存在的NPs对全球种植和消费最广泛的蔬菜之一——番茄植株中PTEs吸收、积累和转运的作用。为此，研究人员将水培番茄植株暴露于同位素富集的铬（Cr）、Cd、Pb和必需微量元素锌（Zn）（53Cr、106Cd、204Pb、70Zn），分别在不存在和存在200 nm PS NPs（浓度为1 mg/L）的条件下进行。同位素富集示踪剂的使用能够区分植物生长期间从营养液中吸收的自然存在PTEs与外加PTEs。PS NPs以铕（Eu）标记，作为通过ICP-MS定量植物组织中NPs的示踪剂。研究人员在营养液、模拟植物细胞环境培养基和番茄组织基质中独立评估了实验条件下PS NPs中Eu示踪剂的稳定性。最后，评估了消费暴露于所选条件下番茄果实相关的潜在人类健康风险。
**研究背景与问题**
随着气候变化、集约化农业和人口增长，全球水资源压力日益加剧，经处理废水的农业回用被广泛视为缓解水短缺的重要策略。然而，常规废水处理技术难以完全去除新兴污染物，其中纳米塑料因其微小尺寸（<1 μm）、持久性和日益增长的普遍性而备受关注。纳米塑料可作为重金属等污染物的载体，改变其迁移性和生物有效性，并能够穿越生物屏障在植物组织中积累，最终通过食物链威胁人类健康。已有研究表明多种作物可吸收纳米塑料，但其对植物体内潜在有毒元素吸收与分布的影响机制尚不明确，且纳米塑料的定量检测方法存在显著技术瓶颈。基于此，本研究以全球广泛种植和消费的番茄为对象，利用同位素示踪技术系统探究聚苯乙烯纳米塑料对潜在有毒元素在番茄植株中吸收与分布的影响，并评估相关的膳食健康风险。该论文发表在《Environment International》。
**研究内容与技术方法**
研究人员开展了水培番茄暴露实验，设置了对照组、仅纳米塑料组、仅同位素富集潜在有毒元素组（
53Cr、
70Zn、
106Cd、
204Pb）以及纳米塑料与潜在有毒元素联合暴露组，暴露周期为5周。研究采用铕标记的羧基化聚苯乙烯纳米塑料（PS-Eu NPs，粒径约200 nm，浓度1 mg/L），通过ICP-MS定量植物各组织中铕含量以评估纳米塑料的吸收与分布；通过单颗粒ICP-MS区分颗粒态与离子态铕，评估示踪剂稳定性；通过离心超滤和0.1 μm过滤分离方法测定潜在有毒元素在纳米塑料表面的吸附行为；利用SEM/TEM和动态光散射表征纳米塑料的形貌与粒径变化；基于EFSA食品消费数据库进行膳食暴露评估和健康风险计算。番茄植株于2022年5月底至6月底在温室中水培生长，每个处理设一个培养槽，每槽种植3株，收获时按根、茎、叶、果实分别取样分析。
**研究结果**
**3.1 PS-Eu NPs颗粒的表征与稳定性**：在超纯水中PS-Eu NPs呈球形均匀分散，平均粒径约175±3 nm（SEM/TEM），水合粒径约198±7 nm（DLS）。但在营养液和植物相关介质中，颗粒发生聚集/团聚并包覆盐类和有机物，水合粒径显著增大至约300 nm至>5 μm。Zeta电位从超纯水中的?51.3±0.8 mV降至营养液中的近中性值（1.6±0.4 mV），表明高离子强度和二价阳离子促进了颗粒聚集。稳定性测试显示，在5周暴露期间，超纯水中Eu释放率仅为8.6%–11.3%，营养液中为7.2%–10.0%，番茄水中最高达12.4%，表明Eu示踪剂在实验条件下存在部分泄漏。
**3.2 番茄植株中PS-Eu NPs的吸收**：ICP-MS分析显示，暴露后所有植物组织中均检测到Eu，根部浓度最高（11.89±2.96 mg/kg），茎（0.012±0.005 mg/kg）和叶（0.017±0.002 mg/kg）低约三个数量级，果实中最低（0.003±0.001 mg/kg）。SEM在番茄根横截面中观察到与暴露PS-Eu NPs形态一致的球形颗粒。然而，spICP-MS对酶解提取颗粒的分析显示，组织中大部分Eu为离子态（根和茎中71%，叶中86%，果实中高达92%），表明植物体内发生了显著的Eu原位泄漏。经校正后，果实中纳米塑料浓度低于检出限（0.371 μg/kg），无法确认纳米塑料向果实的转运。
**3.3 PS-Eu NPs对番茄植株中元素吸收与分布的影响**：**同位素富集元素**方面，PS-Eu NPs对Zn和Cd的吸收无显著影响，但显著降低了Cr在果实、叶片和根部以及Pb在茎部的浓度。吸附实验显示，在营养液中Cr的吸附率在第一周即达98%，Pb在第五周达46%，而Cd和Zn吸附率较低。**宏量和微量元素**方面，PS-Eu NPs导致根部钾（K）显著滞留，根向地上部的转运受损；Ca、Mg、P浓度未受影响。纳米塑料暴露增加了多种微量元素在多个组织中的浓度，包括果实中As、B、Cu，叶片中As、B、Fe、Mn、Ni，茎中As、Cu、Fe、Ni以及根部As、B，且Cu、Mo、Fe、Ni和As的转运因子升高。
**3.4 膳食暴露与健康风险评估**：与欧盟法规(EU) 2023/915规定的果菜类蔬菜最高允许水平相比，番茄果实中Cd浓度在仅潜在有毒元素处理中超标约10倍，在联合处理中超标约9倍；Pb浓度则远低于限值。危害商数（HQ）评估显示，Cd在高慢性暴露情景下对儿童（仅潜在有毒元素处理HQ=2.681；联合处理HQ=2.303）和成人（仅潜在有毒元素处理HQ=1.101）构成潜在健康风险。危害指数（HI）显示，联合处理在高慢性暴露下对儿童超过1（2.31），表明Cd是主要的非致癌健康风险贡献者。
**讨论与结论**
研究表明，铕螯合物标记的纳米塑料在酸性组织和长期暴露条件下不适合作为定量示踪剂，因为示踪剂泄漏会导致纳米塑料定量不准确，需要开发共价键合标记或核壳封装金属结构等更稳定的示踪设计。PS-Eu NPs对潜在有毒元素的影响具有元素特异性：Cr和Pb因在纳米塑料表面强吸附、聚集沉降及部分氢氧化物沉淀而降低生物有效性和植物吸收；Cd和Zn因吸附亲和力低而基本不受影响。纳米塑料暴露降低了部分潜在有毒元素（如Pb和Cr）的积累，显示潜在缓解效应，但增加了果实中As的积累，构成关键食品安全风险。纳米塑料还改变了宏量和微量元素谱，包括K降低以及Cu、Mo、Fe、Ni和B升高。Cd是主要的非致癌健康风险贡献者，特别是在儿童中。该研究凸显了纳米塑料在调节污染物和养分吸收中的双重作用，强调需要监管灌溉系统中纳米塑料和潜在有毒元素的输入并监测其在可食用作物中的积累。研究结论特定于所研究的200 nm羧基化PS纳米颗粒和1 mg/L暴露浓度，更广泛适用性需进一步研究。
