RECT：沧海一“粒”，毒性可畏——纳米颗粒对植物的毒性机制和潜在风险

河海大学环境学院白雪教授团队在Reviews of Environmental Contamination and Toxicology（RECT）期刊发表题为“A Review on the Toxicity Mechanisms and Potential Risks of Engineered Nanoparticles to Plants”的综述。

论文亮点

本文系统总结了金属基纳米颗粒对植物的负面效应和毒性机制，阐述了纳米颗粒（NPs）沿着陆生和水生食物链传递的潜在风险，为探索NPs对植物的作用机理和生命周期风险提供了重要参考和理论支撑。

论文背景

纳米技术自从1959年被首次提出来后得到了快速发展，其中介于1~100 nm的NPs在工、农、医学等领域被广泛制造和使用，导致NPs不可避免地释放进入环境。具有稳定性和持久性的NPs通过叶片或根系吸收能够被植物细胞内化，干扰正常的生理过程，如改变细胞结构、影响生物代谢以及扰乱基因表达。由于NPs的性质不同，诱导植物毒性的机理也存在一定的差异，但活性氧（ROS）的产生被认为是对植物最具破坏力的因素之一，而营养元素吸收失衡、光捕获和转化能力降低以及蛋白合成受阻等也会引起植物的生理抑制。此外，植物作为生态系统的重要组成部分，积累在其可食用部分的NPs可能会沿着食物链传递到高营养级，这对食品安全和人类健康构成了严重威胁。因此，有必要阐明金属基NPs对植物细胞的毒性机制，以及其在营养级传输中的生态风险。

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纳米颗粒植物毒性的统计分析

本文基于标准的科学检索引擎，利用VOS viewer和Origin对2012~2022年关于NPs植物毒性和环境风险的论文进行了可视化分析和统计（图1），最终确定了Ag NPs、ZnO NPs、Cu基NPs、TiO2 NPs、CeO2 NPs和Fe基NPs为讨论重点。

图1 （a）关于NPs植物毒性的研究热点的网络可视化；（b）2012-2022年目标文献中NPs对植物毒性的论文统计；（c）目标文献中NPs的类型和百分占比；（d）文献统计中研究的植物类型和数量

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纳米颗粒对植物的毒性机制

本文系统介绍了金属基NPs对植物造成的毒理效应，重点总结了植物体内的调控机制，主要包括：

（1）同一种NPs的尺寸越小越容易通过吸附在根系和叶片表面进入细胞，在细胞壁和离子通道中发生生物转化，破坏细胞质膜运输和生物分子合成，导致发生光和作用抑制、营养组分失衡、氧化应激反应、有丝分裂异常和染色体畸变等细胞毒性作用。

（2）进入植物的NPs能够破坏细胞的质膜结构并干扰代谢物的上调和下调，造成不可修复的代谢系统紊乱，而TCA循环中关键的抗坏血酸和醛酸代谢、脂肪酸代谢、莽草酸途径和苯丙烷生物合成在增强植物的耐受性方面发挥了重要作用（图2）。

图2 金属基NPs对植物叶片代谢调节的部分示意图

（3）NPs的胁迫作用主要诱导了植物体内ROS的产生，其中酶类和非酶类抗氧化剂的激活被认为是清除ROS的关键机制，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）和谷胱甘肽还原酶（GR），以及类黄酮代谢、氮代谢和酚类物质生物合成等。

（4）一旦NPs使植物细胞无法通过自我调节维持ROS平衡，将导致脂质过氧化、细胞膜损伤和相关抗氧化物酶活性的抑制，从而加剧蛋白质降解、细胞凋亡和DNA损伤，甚至表现出代际遗传的基因毒性。图3总结了金属基NPs对植物细胞的毒理效应和调控机制。

图3 金属基NPs对植物细胞的毒理效应和调控机制

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纳米颗粒沿食物链传递的潜在风险

进入植物组织的NPs将不可避免地在水生和陆生食物链中进行营养级转移，图4展示了NPs在生态系统中潜在的传递途径。生物放大效应加剧了NPs暴露造成的环境风险，例如：摄食被NPs污染的植物造成了动物体内消化系统失调、组织器官衰竭和免疫功能受损。因此，亟需探索合适的解决策略以降低NPs在植物中的积累和风险传递。

图4 不同来源的NPs被植物吸收后，沿陆生和水生食物链向高营养级传递的风险

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总结与展望

本文总结并强调了NPs对植物的毒性作用和相关的调控机制，这对于合理利用纳米产品和寻找适当的解毒方法很有价值。考虑到NPs在水生和陆生食物链中的营养转移对生物安全构成了潜在威胁，其在植物中的积累和引发的环境风险不容小觑。总的来说，本文为研究NPs对植物的作用机理和生命周期风险提供了系统的总结和理论参考，在未来的工作中应当加强NPs产品的管理和风险防控，以促进环境和经济的可持续发展。

文章来源

Mengen Kang, Yuzhu Weng, Yi Liu, Haoke Wang, Ling Ye, Yanlin Gu and Xue Bai, A Review on the Toxicity Mechanisms and Potential Risks of Engineered Nanoparticles to Plants, Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. 2023, 261, 5.

文章链接

https:///10.1007/s44169-023-00029-x

作者简介

通讯作者：

白雪，教授，博士生导师，河海大学环境科学系主任，哈佛大学高级访问研究员，江苏清华大学校友会副秘书长。研究方向为微纳污染物的伴水迁移转化及归趋研究。以第一作者/通讯作者身份发表论文100余篇；主持国家自然科学基金（黄河联合基金集成项目子课题、重点基金子课题、面上项目、青年项目等）、江苏省自然科学基金（优秀青年基金、青年基金）、国防基础科研项目课题、教育部博士点基金等30余项科研项目；获授权发明专利30余项，技术转让5项，1项被评为江苏省百件优秀发明专利；获教育部科技进步奖二等奖；入选江苏省“333”高层次人才培养工程（中青年学术技术带头人）、江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师、“大禹学者”等人才支撑计划。