微塑料类型决定板蓝根中银纳米颗粒联合毒性的方向：聚乙烯与聚乳酸的比较研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microplastic Type Determines the Direction of Combined Toxicity with Silver Nanoparticles in Radix Isatidis: A Comparative Study of Polyethylene and Polylactic Acid

　　

摘要

微塑料（MPs）和银纳米粒子（AgNPs）在农业土壤中共同存在，但二者对药用植物的联合生态风险尚不清楚。本研究以板蓝根（Radix Isatidis）为研究对象——该药用植物的根部质量取决于次生代谢物——探究了不可降解聚乙烯（PE）与可降解聚乳酸（PLA）对AgNPs植物毒性的差异性影响，并提出核心问题：MPs类型是否决定了联合毒性的方向。PE和PLA对AgNPs植物毒性产生了相反的作用。AgNPs+PE部分缓解了AgNPs引起的生长抑制，而AgNPs+PLA则表现出协同抑制效应。单独PLA对抗氧化系统造成了最强的破坏（过氧化物酶（POD）活性增加135.5%，超氧化物歧化酶（SOD）活性降低46.0%）。AgNPs+PE降低了POD活性，而AgNPs+PLA则提高了POD活性。在次生代谢方面，AgNPs+PE促进了生物碱的积累，而AgNPs+PLA则诱导了多酚的合成。在土壤层面，AgNPs+PE显著抑制了碱性磷酸酶活性（降低98.0%），而AgNPs+PLA则激活了该酶活性（增加67.1%）。微生物分析显示，AgNPs扰乱了657个ASVs（扩增序列变体），PLA扰乱了323个ASVs，而PE仅扰乱了72个ASVs。值得注意的是，AgNPs+PLA使转座子基因tnpA丰度增加了440.9%，整合子intI1增加了124.3%，四环素抗性基因tetQ增加了209.2%，而AgNPs+PE则抑制了它们的传播。我们得出结论：MPs类型对AgNPs共暴露的生态结果具有关键决定作用——不可降解的PE充当AgNPs毒性的"缓冲剂"，而可降解的PLA则起到"胁迫放大器"的作用。因此，在测试条件下，可降解MPs比传统MPs表现出更大的生态毒性，其安全性评估必须考虑与共存在的纳米材料的相互作用。PE的持久性以及PLA造成的不可逆损害表明，需要开展生命周期风险评估，以区分物理累积与降解驱动的毒性。

引言

由于轻质特性、优越的机械性能和低生产成本，塑料制品被广泛应用于工业、农业和日用消费品领域[2]、[24]、[48]。全球塑料产量呈持续上升趋势，2022年达到4.03亿吨。然而，全球范围内仅有6%~26%的塑料废物得到有效回收，其余部分最终进入自然环境[61]。微塑料（MPs）定义为小于5 毫米的颗粒，由塑料废物在自然环境中经物理磨损、生物降解、氧化降解和光降解的共同作用产生[17]、[74]。MPs广泛分布于大气、水体和土壤中，对生态系统构成威胁[31]。传统不可降解MPs（如聚乙烯，PE）具有很强的降解抗性，可在土壤中存留数十年，造成长期环境压力——尤其是在农业土壤中[37]。土壤MPs污染的主要来源包括农膜碎片、污水灌溉和施肥[50]。为缓解塑料污染，可降解塑料的产量正在迅速扩张。全球生物塑料产量预计将从2023年的约218万吨增至2028年的约743万吨[61]。然而，可降解塑料在自然条件下可能无法完全降解，在给定时间范围内，40%的可降解MPs产生量甚至可能超过传统不可降解MPs[30]。例如，与PE相比，可降解塑料在紫外线照射下产生更多的MPs[66]。此类可降解MPs（如聚乳酸，PLA）的大量输入可能对土壤生物和非生物组分造成更为严重且容易被忽视的不利影响。值得注意的是，MPs在土壤中很少单独存在。农业土壤中含有复杂混合的污染物，包括重金属、农药、抗生素和纳米材料[72]。其中，纳米材料由于其独特的尺寸效应和高表面活性，在与MPs结合后可能引发与其他共存污染物不同的生态效应。然而，其联合作用机制仍知之甚少。

银纳米粒子（AgNPs）是农田环境中检测到最多的纳米材料之一，广泛应用于农业杀菌剂、肥料添加剂和食品包装[29]、[5]。AgNPs通过污水灌溉、污泥施用和大气沉降进入农业土壤[32]。已有研究表明，AgNPs会在植物中引发氧化应激、抑制根系伸长、干扰营养吸收，并改变土壤微生物群落的结构与功能[46]、[8]。例如，Shi等[53]报道AgNPs降低了柳树的叶绿素荧光参数并诱导氧化损伤。在土壤中，AgNPs经常与MPs共同存在。AgNPs容易吸附在MPs表面，并可能通过其催化活性影响MPs的降解[3]、[36]。反之，MPs会调节AgNPs的存在形态和生物有效性[18]。这些相互作用可能对植物-土壤系统产生联合生态效应，具体表现为植物氧化应激、次生代谢响应、养分循环以及根际抗性基因的动态变化。然而，可降解PLA与不可降解PE同AgNPs联合污染对药用植物-土壤系统的差异性影响和调控机制尚不清楚。因此，明确MPs类型如何调节AgNPs毒性对于精确评估联合暴露的生态风险至关重要。

土壤理化性质、酶活性、抗性基因和微生物群落是评估污染物生态风险的四个核心维度[25]。MPs和AgNPs进入土壤后，可改变pH值和养分有效性，干扰碳、氮、磷循环相关的酶，并诱导氧化应激响应[68]、[83]。更为重要的是，MPs和AgNPs的联合胁迫可能促进抗生素抗性基因（ARGs）在土壤中的传播和富集。Wang等[63]证明MPs可作为ARGs和可移动遗传元件（MGEs）的载体，加速土壤微生物群落的水平基因转移。常检出的ARGs包括四环素、磺胺类和红霉素抗性基因，而整合子、转座序列和转座酶等MGEs在ARG水平转移中发挥关键作用[67]。值得注意的是，PLA在降解过程中可能释放单体或寡聚体，改变根际微环境，进而影响AgNPs的转化和毒性，这可能与ARG的富集和传播产生协同促进作用[32]、[33]、[43]。然而，PLA与PE同AgNPs联合污染对土壤养分、酶活性、微生物群落以及ARGs/MGEs的差异性影响，尚需从理化性质到抗性基因传播的全链条进行系统阐明。

Radix Isatidis（板蓝根）为十字花科植物Isatis indigotica Fortune的干燥根，具有抗菌、抗炎和抗病毒特性，广泛应用于传统中医药和复方制剂[55]、[65]。其疗效与其次生代谢物直接相关，包括生物碱、黄酮类和多酚类化合物[1]、[73]。近年来，受市场需求增长的驱动，板蓝根的种植面积稳步扩大。然而，农业环境中MPs和AgNPs污染的加剧可能威胁板蓝根的质量与安全，这一问题尚未得到充分重视。为填补这一知识空白，本研究系统探讨了PE和PLA与AgNPs联合污染对板蓝根根系和根际微生态的影响，旨在阐明两种MPs类型（PE和PLA）在与AgNPs联合暴露条件下的差异性影响及潜在调控机制。作为一种具有明确酚丙烷途径和根部生物活性成分积累的药用植物，板蓝根可作为评估污染物对根-土壤系统影响的敏感指示物种，尽管不同代谢能力的作物物种其响应量级可能存在差异[55]、[86]。具体而言，本研究聚焦于MPs类型——特别是可降解PLA与不可降解PE——是否决定了与AgNPs联合暴露的生态结果，并通过以下科学问题展开：（1）在与AgNPs联合污染条件下，PE和PLA如何差异性调节AgNPs对板蓝根的植物毒性？二者的作用方向是否相反？（2）在AgNPs存在的情况下，PE和PLA如何差异性影响板蓝根次生代谢物的积累模式？（3）PE和PLA在干扰根际微生态方面有何差异，包括土壤酶活性、微生物群落结构和抗性基因传播？

章节摘要

材料

本研究中使用的AgNPs粒径为20 纳米米，纯度为99.95%，由麦克林生化科技有限公司提供。可降解PLA和不可降解PE的粒径均约为200微米，购自上海凯扬塑料化工有限公司。实验所用的板蓝根种子取自河北省安国市。播种前，选取籽粒饱满、色泽均匀、无病虫害的深褐色种子进行表面消毒。

AgNPs和不同类型MPs对根部表型参数的影响

图1A展示了不同处理对板蓝根生长的影响。与对照组（CK）相比，AgNPs处理显著降低了地下生物量，但使根长增加了35.3%。PE处理显著增加了地下生物量和根长，分别增加了47.0%和61.0%。然而，可降解PLA处理分别降低了地下生物量和根长57.0%和19.6%。与AgNPs处理相比，AgNPs+PE

根部表型参数

植物根系形态和生物量积累是对环境胁迫响应的综合性指标[60]。PE和PLA对AgNPs根系生长效应表现出根本不同的调控方式，体现在板蓝根地下生物量和根长的差异性响应模式上。与CK相比，单独AgNPs处理显著降低了地下生物量但增加了根长（图1）。这种"生物量减少而根长增加"的现象

结论

本研究揭示了在板蓝根-土壤系统中，MPs类型对与AgNPs联合暴露的生态结果具有关键决定作用，不可降解PE与可降解PLA的差异性调控机制即为明证。PE主要发挥AgNPs毒性的"物理稀释剂"和MGEs/ARGs的"抑制因子"作用：其存在减轻了AgNPs对植物和根际微生态的胁迫效应，维持了微生物群落对MGEs的负调控，并且

CRediT作者贡献声明

姚晓琴：写作—审阅与编辑，监督，资源，经费获取。史奥悦：写作—审阅与编辑，方法学，数据整理。褚建洲：写作—审阅与编辑，方法学，数据整理。周彦茹：写作—原稿，调查，数据整理。李明辉：软件，方法学，数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号32071501；31300321）和河北省中央引导地方科技发展基金（项目编号246Z2503G）的资助。

周彦茹|李明辉|史奥悦|褚建洲|姚晓琴

河北大学生命科学学院，河北保定071002，中国