科研 | Environ.Pollut.：聚乙苯烯纳米塑料可以缓解镉对小麦的毒性（国人佳作）
编译：王艳林，编辑：Emma、江舜尧。
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微塑料（直径<5 mm）作为载体以评估有毒化学品对人类健康和环境的风险的研究有所增加，但是只有少数研究集中在纳米塑料（直径1 nm–1000 nm）与重金属等污染物的相互作用上。目前尚不清楚聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）是否会影响Cd对小麦的毒性。在本研究，评估了聚苯乙烯纳米塑料（0，10 mg/L）对生长于25％Hoagland溶液三周小麦Cd（0，20 μM）毒性的影响。结果发现PSNPs的存在可以部分降低叶片中Cd的含量并减轻Cd对小麦的毒性，这可能是由于离子强度对PSNPs吸附能力的削弱所致。此外，PSNPs对过氧化氢酶（CAT），过氧化物酶（POD）的活性影响很小，除了降低超氧化物歧化酶（SOD）活性外，这表明抗氧化防御系统可能不是减少Cd诱导的小麦氧化损伤的主要机制。电子顺磁共振（EPR）分析表明，PSNPs可以加速Cd暴露后叶片中长寿命自由基的形成。值得注意的是，代谢组学分析结果进一步表明，由PSNP诱导的碳水化合物和氨基酸代谢的同时升高可以部分缓解Cd对小麦的毒性。然而，本研究为环境中纳米塑料和重金属共污染的毒理学相互作用和未来风险评估提供了重要的启示。
论文ID
实验设计
实验结果
1. 培养基中PSNPs的胶体特性和Cd生物利用度
简而言之，PSNPs是没有表面自由官能团的球体，其平均大小约为87 nm，这与制造商提供的信息基本一致。
在25％的Hoagland溶液中发现了PSNP的强团聚趋势（图S1）。开始时两种不同处理中PSNPs的流体动力学直径基本相等（约200 nm），它们在实验时间内迅速聚集，并在24小时后达到720 nm。一致地，zeta电位的结果表明PSNPs带负电，并且不稳定，其绝对值在-22至-10 mV范围内（图S1B）。PSNP的快速聚集可能是由于静电排斥的减少。在培养基中引入的大量带正电离子（Ca2+，Mg2+，K+），这将中和PSNPs的负电荷，从而使其双电层被压缩。结果表明，离子强度可能会对PSNPs的生物利用度和毒性产生复杂的影响，因为纳米粒子在生物体内的内化取决于尺寸大小。在海洋培养基中也观察到类似现象，其中聚集的PSNPs直接影响微藻中PSNPs的生物利用度和毒性。此外，塑料颗粒本身携带的电荷可以通过静电吸引促进其物理吸附到藻类和植物的根部，从而进一步抑制光合作用或营养物质的固定过程。因此，当关注塑料颗粒与生物体的相互作用时，必须考虑到塑料所带电荷的类型和数量。
纳米塑料对重金属的生物利用度/生物富集性的影响已得到广泛研究，因为纳米塑料所携带的金属可能会沿着食物链转运，因此造成潜在的环境风险。PSNPs在Milli-Q水和Hoagland溶液中对Cd的吸附是可逆的（图1），包括开始时的快速吸附和后期的缓慢解吸。对于Pb，As和Cr，发现有毒金属在微/纳米塑料上的显著结合。据推测，Cd2+的吸附是通过静电粘附（Cd2+与塑料表面的负电荷或极性区域相互作用）进行的。因此，接触时间内PSNPs上Cd吸附的减少可能是由于其携带的负电荷量减少所致（图S1B）。PSNPs-Cd溶液中较低的Cd浓度导致小麦幼苗中Cd的生物积累较高（图1；表1），这表明PSNPs可以作为潜在的Cd载体。另一方面，在我们的研究中检测到从PSNPs释放的Cd量可忽略不计（图1，插图），这表明在塑料制造过程中添加的Cd不是主要来源。相反，另有研究报道，羧化的PSNPs上没有铜离子的吸附，因此Cu对藻类的毒性也没有改变，这可能归因于纳米塑料表面的官能团。
图1 Milli-Q水（蓝色符号）和25％Hoagland溶液（红色符号）中PSNPs上Cd离子的时间依赖性吸附
插图描绘了从Milli-Q水中的原始状态的PSNP释放的Cd离子（绿色符号）。
表1 不同处理条件下小麦叶片和根中的Cd和其他矿质养分含量
注：数值以平均值±SD表示。在同一列中不同的小写字母表示使用Duncan检验的处理方式之间存在显著差异（p <0.05）。N.D.：未检测到。
2. PSNPs诱导的Cd对小麦的低植物毒性
通过所有理化指标评估了对照，PSNPs，Cd和PSNPs-Cd处理之间的植物毒性差异（图S3）。尽管Cd处理与PSNPs-Cd处理呈正相关，但大多数指标与PSNPs-Cd处理紧密相关，例如S:R比，Mg含量，Cu含量。Cd对小麦的不同植物毒性可能归因于PSNPs。
观察到PSNPs对小麦幼苗生长的促进作用，尽管没有统计学上的显著差异（图2）。然而，Cd和PSNPs-Cd处理均明显引起小麦幼苗的生长迟缓。值得注意的是，与未暴露的处理相比，单独使用Cd的处理分别导致干生物量（31.3％），Pn（52.2％），叶绿素含量（24.7％）和S:R比（22.6％）的快速降低。相反，PSNPs和Cd的共存使相应指标的值分别降低了14.9％，48.9％，22.7％和14.7％。因此，单独使用Cd处理的小麦生长抑制作用要比复合处理（Cd-PSNPs）更为严重，表明PSNPs的存在部分减轻了Cd对小麦的毒性。减轻小麦中Cd毒性的原因可能是PSNPs-Cd培养液中Cd浓度降低。相同的情况，当Cu和MPs共同暴露导致微藻平均生长速率比单独的Cu暴露时略有降低，但无显著差异。在以前的研究中，发现内化的PSNPs可以显著改善小麦的光合气体交换参数（Pn，Gs，Tr），叶绿素含量和氮同化过程，这可能是减轻Cd毒性的重要原因。但是，将来仍需要探讨PSNPs在促进小麦生长中的作用。
由于根是直接暴露的器官，因此还评估了PSNPs，Cd或它们的组合对根形态的潜在影响（图S2）。在所有根形态参数中，仅根尖数量在暴露于PSNPs后显著增加（1.37倍，p <0.05）。同样，在Cd或PSNPs-Cd处理下，观察到了根尖和平均直径的明显变化（p <0.05）。双因素方差分析还显示，Cd和PSNPs的相互作用对根部平均直径（p <0.05）和根尖（p <0.01）具有综合作用（表S1）。
图2 暴露于Cd或PSNPs下的小麦幼苗的干生物量（A），茎根生物量比（B），净光合速率（C）和叶绿素含量（D）
相对单位表示为r.u。值表示为平均值±SD。具有不同字母的柱子具有统计上的显著结果（p <0.05）。
3. 抗氧化酶和丙二醛含量的变化
当遇到不利的环境条件（如重金属）时，抗氧化防御通过清除活性氧（ROS）在保护植物细胞免受氧化损伤方面起着至关重要的作用。Cd而不是PSNPs强烈影响小麦叶片和根中的抗氧化酶活性（图3；表S1）。但是，据报道，暴露于5 μm/100 nm PS-MPs（10-100 mg/L）的蚕豆中的SOD和POD活性显著增加。酶活性的差异可能取决于塑料尺寸，实验剂量和植物种类。此外，除了SOD活性外，Cd和PSNPs-Cd处理均增强了整个小麦的POD和CAT活性。考虑到微量元素是参与SOD同工酶生物合成的关键成分，包括Fe-SOD，Mn-SOD和Cu/Zn-SOD酶，SOD活性降低可能是由于Fe，Mn和Cu含量的大幅降低（表1）。有趣的是，小麦叶片和根部的SOD活性均受PSNPs和Cd之间的相互作用的显著影响，而相互作用模式却相反（根部协同，但叶片拮抗）（图3B；表S1）。总体而言，在PSNPs-Cd处理下小麦中抗氧化酶活性的不变或下降可能与缓解效果无关，这意味着可能存在介导Cd诱导毒性的另一种可能机制。
脂质过氧化是指脂质的氧化降解，可作为ROS引起细胞膜损伤的指标。与对照相比，单独的PSNPs使小麦叶片中的MDA比根部显著增加（p <0.05）（图3D），这表明PSNPs可以作为非生物胁迫而引起叶片中显著的氧化胁迫。同时，单独使用Cd和复合处理（Cd-PSNPs）（p <0.05）可使叶片和根中MDA含量分别增加34.9％–38.6％和58.2％–61.9％。但是，PSNPs和Cd的相互作用仅对叶片中的MDA而言是显著的（p <0.01）（表S1），这表明PSNPs在降低叶片中MDA含量方面起着重要的作用。
图3 暴露于Cd或PSNPs时，小麦幼苗叶片和根中的POD（A），SOD（B）和CAT（C）活性以及MDA含量（D）
值表示为平均值±SD。具有大写字母（对于叶片）或小写字母（对于根）的柱子具有统计显著性结果（p <0.05）。
4. 植物组织中Cd和养分的积累
暴露21天后，小麦组织中的Cd浓度主要归因于Cd的添加，即使小麦幼苗中的Cd含量在暴露于PSNPs后并未发生实质性变化（表1；表S1）。尽管PSNPs-Cd水溶液中Cd含量比单独使用Cd时要低10％左右，但PSNPs的存在对叶片和根中Cd的浓度影响可忽略不计。一种可能的解释是，PSNPs可以作为小麦幼苗中Cd生物富集的载体，因为内化的PSNPs含有很大一部分Cd。
通常，Cd的添加显著影响小麦中的所有5种元素，而小麦组织中的Mn含量和茎中的Cu含量仅受PSNPs，Cd及其相互作用的显著影响（表S1）。与对照组相比，Cd的存在降低了小麦中Mg，Fe，Mn和Cu的含量，而Zn除外（表1）。值得注意的是，尽管Cd2+和Zn2+的结构相似，但PSNPs和Cd的共同暴露导致小麦组织中的Zn浓度降低，这表明PSNPs具有通过促进Cd吸收来抑制Zn吸收的趋势。另外，当暴露于PSNPs-Cd时，其他元素的浓度可以在一定程度上恢复。这些结果可能是由于根系形态参数的适应性变化（图S2），其在从生长介质吸收矿物质方面起着重要作用。
5. 小麦叶片EPR谱的变化
为了阐明PSNPs如何影响小麦中ROS消除过程的潜在机制，本研究中检测了位于有机分子（有机自由基）上的长寿命自由基。植物中活化的有机自由基的形成通常被认为是非生物胁迫下抵抗ROS的保护机制中不可缺少的一部分。对照，PSNPs，Cd和PSNPs-Cd处理的所有叶片样品的EPR光谱如图4所示。在有或没有暴露于Cd和PSNPs的小麦叶片中都观察到了高度可见的信号（接近335 mT），并且由于处理不同，EPR谱图中没有明显的偏移，表现出典型且相同的有机自由基（g≈2.00）。对叶片记录的光谱进行的半定量分析表明，除了单独使用Cd（比对照低约40％）处理外，当暴露于PSNPs和PSNPs-Cd时，有机自由基的含量没有明显变化。这种现象表明PSNPs的存在促进了自由基在有机分子上的捕获，这可能是PSNPs-Cd处理中小麦较低的抗氧化响应和氧化胁迫的潜在机制。尽管有机自由基的形成是一个复杂的过程，但PSNPs诱导的自由基捕获能力的恢复可能归因于单糖（葡萄糖）和二糖（蔗糖和麦芽糖）的浓度变化（表S2）。
图4 小麦叶片暴露于Cd或PSNPs后的电子顺磁共振（EPR）光谱
（A）不同处理中对照的有机自由基的相对单位（B）具有不同字母的柱子表示统计显著性（p <0.05）
6. 小麦对PSNPs和/或Cd的代谢响应
总体上，通过比较质谱图和保留时间，在色谱图中总共确定了203个峰，并鉴定出62种代谢物（表S2）。为了可视化不同处理下小麦的代谢谱差异，基于相对定量的代谢物进行了有监督的PLS-DA（图5）。得分图显示PSNP，Cd和Cd-PSNPs处理与对照之间的清晰分离，第一主成分和第二主成分的贡献率分别为27.7％和16.6％。但是，单独暴露于Cd的组与Cd-PSNPs处理聚类在一起。因此，这些表明所有处理与对照相比均显著改变了小麦叶片的代谢谱，但Cd和Cd-PSNPs组的代谢响应基本相同。
单因素分析（独立的样本T检验）表明，大量的主要代谢产物发生了显著变化（p <0.05），包括氨基酸，糖和有机酸（表S2）。单独的PSNPs处理下调了小麦叶片中超过79％的已鉴定代谢产物，而暴露于Cd和PSNPs-Cd的小麦的代谢谱与对照组基本相反（图6）。许多代谢物，包括氨基酸（甘氨酸，L-丝氨酸，L-苏氨酸），糖（DL-阿拉伯糖，L-山梨糖，吡喃葡萄糖，D-阿洛糖，麦芽糖）和有机酸（乙醇酸，甘油酸，苹果酸，乌头酸，柠檬酸）在Cd和PSNPs-Cd处理中均被显著上调，而PSNPs-Cd组中超过68％的代谢物含量较高，甘氨酸，衣康酸和α-D-阿洛糖具有统计学上的显著差异（p <0.01）。进一步的通路分析表明，当暴露于Cd或PSNPs-Cd时，受影响的代谢途径似乎是相同的，包括氨酰-tRNA生物合成，乙醛酸和二羧酸代谢，丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代谢以及淀粉和蔗糖代谢（图S4）。在本研究中，小麦叶片中上调程度最大的代谢途径是氨酰-tRNA生物合成，这对应于重金属胁迫下植物体内蛋白质稳态的控制。有趣的是，碳水化合物的代谢途径（乙醛酸和二羧酸代谢，以及淀粉和蔗糖代谢）也增加了，导致葡萄糖，麦芽糖等中间体的含量增加（图6）。这些可溶性糖在重金属诱导的代谢途径中起着信号或渗透保护剂的作用，对于植物维持膨压和清除升高的ROS至关重要。除此之外，在PSNPs-Cd处理下，精氨酸和脯氨酸的代谢受到显著影响（p <0.05），其中增加的氨基酸可能是PSNPs减轻Cd诱导的小麦叶片氧化胁迫的另一种可能的代谢机制。丝氨酸，半胱氨酸，赖氨酸，脯氨酸，天冬酰胺等代谢物可以有效清除胞间ROS，并且在PSNPs-Cd处理中表现出更高的倍数变化（表S2）。这表明糖和氨基酸代谢升高之间的协同作用可能是PSNPs降低小麦中Cd诱导的毒性的代谢机制。
图5 小麦叶片中鉴定的代谢物的PLS-DA得分图
A：对照；B：PSNPs；C：Cd；D：PSNPs-Cd。
图6 暴露于Cd或PSNPs的小麦叶片的代谢途径表达和代谢物变化的热图
代谢物的相对含量根据从绿色（最小）到红色（最大）的值分配。表S2显示了小麦叶片的丰度相对变化及其相应的显著性水平。
结论
总之，本研究表明， PSNPs（100 nm，10 mg/L）暴露对小麦生长有一定的促进作用，PSNPs可以部分减轻Cd诱导的小麦毒性。同时，PSNPs可以作为小麦中Cd生物富集的载体，离子强度会严重削弱其吸附能力。另外，暴露于Cd后，小麦叶片和根中的POD和CAT活性没有增加，而SOD活性同时显著下降。抗氧化酶活性的差异可能归因于微量元素的缺乏。此外，EPR分析表明PSNPs可以恢复有机分子上自由基的捕获，从而形成了长寿命的自由基，并保护了植物细胞膜不受ROS损伤。代谢组学研究表明，影响显著的代谢途径是碳水化合物和氨基酸代谢，它们共同减少了Cd诱导的小麦氧化损伤。总体而言，该发现有望增进对纳米塑料，重金属与植物之间相互作用的理解。