老化会改变生菜中纳米塑料与普萘洛尔（一种药物）之间的相互作用：这对植物毒性和微生物组有何影响

《Environmental Pollution》：Aging alters nanoplastics–propranolol interactions in lettuce: implications for plant toxicity and microbiomes

　　

摘要

本研究探讨了聚苯乙烯纳米塑料（NPs）经过紫外线老化处理和表面功能化处理后，其与普萘洛尔（PRO）的相互作用是否发生变化，以及这些变化是否会影响生菜的生理特性和内生细菌群落。生菜被暴露于原始纳米塑料或老化纳米塑料（浓度为5或50毫克/升）、普萘洛尔（100微克/升）或其混合物中，持续30天。结果表明，紫外线老化增强了普萘洛尔的吸附能力，这可能是由于表面氧化增加和比表面积增大所致。此外，老化纳米塑料在根部和叶片中的普萘洛尔含量均高于原始纳米塑料，叶片中的最大增幅达到69.4±5.68%。普萘洛尔单独处理会导致叶绿素a含量降低31.3±1.89%、叶片干重减少21.5±1.59%，并引发氧化应激，扰乱氮代谢，并改变内生细菌群落。纳米塑料与普萘洛尔的共同作用对生菜的响应具有浓度和老化程度的依赖性。在浓度为5毫克/升时，纳米塑料部分缓解了普萘洛尔的植物毒性；而在浓度为50毫克/升时，氧化状态、抗氧化防御机制和氮代谢的紊乱更为明显，尤其是在老化纳米塑料存在的情况下。微生物分析揭示了生菜内生菌对纳米塑料+普萘洛尔共同作用的组织特异性响应。叶片中的α多样性对普萘洛尔处理更敏感，而根部内生菌的丰富度和群落结构对纳米塑料老化更敏感。总体而言，纳米塑料的浓度和老化程度是影响普萘洛尔积累以及生菜生理特性和内生细菌响应的重要因素。

引言

普萘洛尔（PRO）是一种常用的β-阻滞剂，用于治疗心血管疾病，包括高血压。由于其广泛临床应用以及在传统污水处理厂中未能完全去除，普萘洛尔会持续释放到环境中（Zhang等人，2020年）。在医院废水中检测到其浓度范围为0.2–6.5微克/升（Gómez等人，2006年），在污水处理厂废水中检测到其浓度范围为<0.001–1.90微克/升（Mohapatra等人，2016年）。残留的普萘洛尔可能通过再生水灌溉和污泥施用进入农业土壤（Biel-Maeso等人，2018年；Silva等人，2021年；Arenas等人，2025年）。一旦进入土壤，普萘洛尔可能会长期存在，在初始浓度为10毫克/千克的沙质土壤中，其半衰期超过40天（Carter等人，2014年）。这种持久性可能导致其与共存污染物的长期接触和相互作用。一项为期6周的土壤-植物实验表明，萝卜和黑麦草能够从含有1毫克/千克普萘洛尔的土壤中吸收普萘洛尔，尽管未观察到对植物生长的显著影响（Carter等人，2014年）。在一项120小时的生菜种子试验中，普萘洛尔对根尖和胚轴伸长的50%有效浓度分别为221毫克/升和188毫克/升（Pino等人，2016年）。然而，现有的植物研究主要关注普萘洛尔的吸收或短期生长效应，而其在长期暴露下的生理效应仍不明确。

微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）是广泛存在的新兴污染物，它们会因紫外线（UV）照射、氧化、机械磨损和生物活性而发生环境老化。这些过程会改变颗粒表面粗糙度、官能团、亲水性和比表面积，从而影响有机污染物的吸附、运输和生物利用度（Zhang等人，2018年；Rajasekhar和Subramanian，2026年）。例如，96小时的紫外线老化使四溴双酚A在聚苯乙烯纳米塑料上的吸附量增加了76.3%（Chang等人，2023年）。然而，吸附在老化纳米塑料上的污染物并不一定导致明显的植物毒性。Miranda等人（2022年）报告称，在暴露于含有浓度≤100微克/升的药品和农药的老化低密度聚乙烯（LDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯和未增塑聚氯乙烯纳米塑料的Lepidium sativum和Sinapis alba>中，其对发芽和早期生长的影响很小或没有影响。鉴于纳米塑料和普萘洛尔在农业系统中的潜在共存，它们可能会相互作用，从而改变其在植物中的环境行为和生物效应。

与植物相关的内生细菌在养分吸收、耐逆性和污染物响应中起着重要作用（Eid等人，2021年）。因此，这些微生物群落的破坏可能会影响植物对复合污染物的适应能力。生菜（Lactuca sativa）作为一种广泛食用的叶类蔬菜，由于其生长周期短和可食用的地上组织，特别适用于评估农业系统中新兴污染物的风险。然而，目前尚不清楚纳米塑料的老化和表面功能化如何影响普萘洛尔的积累、植物毒性和生菜中的内生细菌群落。

为填补这些知识空白，研究人员对聚苯乙烯（PS）和羧基修饰聚苯乙烯（PSC）纳米塑料进行了紫外线老化处理，以研究表面功能化和紫外线老化如何影响纳米塑料与普萘洛尔的相互作用及其对生菜（Lactuca sativa）的植物毒性。本研究旨在：（1）比较原始纳米塑料和紫外线老化纳米塑料的普萘洛尔吸附能力；（2）评估纳米塑料浓度、表面功能化和紫外线老化如何改变普萘洛尔对生菜生长、光合作用、氧化状态和氮代谢的影响；（3）表征根部和叶片内生细菌群落在纳米塑料+普萘洛尔共同作用下的特定区域响应，包括微生物多样性的变化、分类组成和差异性物种。通过整合污染物与植物生理和内生细菌响应的关系，本研究为理解环境转化后的纳米塑料如何改变农业系统中共存药物的生物效应提供了基础。

章节片段

原始纳米塑料和紫外线老化纳米塑料的制备与表征

聚苯乙烯（PS）和羧基修饰聚苯乙烯（PSC）纳米球（直径100纳米）购自中国江苏省的江苏之川科技有限公司。人工紫外线老化处理按照我们之前研究中的协议进行（Gao等人，2025a）。具体步骤为：将1.5克原始PS或PSC纳米塑料分散在150毫升Milli-Q水中，使用超声波处理（40千赫兹，30分钟），然后转移至一个定制的紫外线老化装置中，该装置配备四个UVC灯（每盏灯40瓦，波长254纳米，辐射强度85微瓦/平方厘米）。

原始纳米塑料和老化纳米塑料的表征

原子力显微镜（AFM）分析显示，随着老化过程，PS和PSC纳米塑料的表面逐渐变得粗糙，表现为突起减少但变大、沟槽加深以及平均粗糙度增加（图S2；表S1）。BET分析也表明，老化后比表面积增加，这与之前对海水老化PS的研究结果一致（Zeng等人，2025年）。XPS分析显示，两个月后PS的氧碳比从0增加到1.74%，PSC的氧碳比从1.93%增加到3.37%

结论

本研究表明，纳米塑料的物理化学性质与其与普萘洛尔的相互作用以及生菜对复合污染物的响应密切相关。紫外线老化增加了PS和PSC的表面粗糙度、表面氧化和比表面积，同时增强了普萘洛尔的吸附能力；简化后的分子模型表明，表面羧基化可能改变了它们与普萘洛尔的相互作用。这些物理化学差异与普萘洛尔在纳米塑料上的积累变化有关。

作者贡献声明

吴俊哲：数据分析。 董友明：初稿撰写、实验设计、数据分析。 高敏玲：初稿撰写、指导、资金筹集。 邱伟文：数据分析。 肖正珍：数据分析。 于文豪：数据分析。 梅凯婷：实验设计。 刘青海：方法学研究。 宋正国：初稿撰写、项目管理、资金筹集。 牛继亮：数据分析

Guimar?es等人，2026年；Lillo和Appenroth，2001年；Orta等人，2019年。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了以下机构的财政支持：西藏自治区的平台与人才项目（项目编号XZ202502JD0038）、广东省教育厅的创新团队项目（2023KCXTD012），以及西藏自治区的科学技术项目（项目编号XZ202501ZY0028）和中国国家自然科学基金（项目编号42507019）。

Youming Dong|吴俊哲|梅凯婷|于文豪|肖正珍|邱伟文|刘青海|牛继亮|宋正国|高敏玲

中国汕头大学材料与环境工程系，汕头515063