聚苯乙烯纳米塑料对番茄植株生长、果实产量和品质的影响

《Food Chemistry》：Effects of polystyrene nanoplastics on tomato plant growth, fruit yield and quality

纳米塑料（PSNPs）通过根系吸收对番茄生长和果实质量产生显著抑制，高浓度PSNPs（16 mg·kg?1）导致矿质吸收受阻、产量和营养品质下降，并引发氧化应激。转录组分析发现388个差异表达基因，揭示PSNPs通过干扰植物代谢和信号通路损害根系发育。该研究为评估纳米塑料在蔬菜生产中的生态风险和制定食品安全策略提供依据。

　　

作者：游明远、周婷、闫佳辉、马静月、孔婷婷、胡松申、李国斌、胡晓辉、李晓静

西北农林科技大学园艺学院，中国咸阳 712100

摘要

纳米塑料（≤100纳米）是陆地生态系统中的新兴污染物，能够通过根部吸收进入植物体内，对生态系统和人类健康构成潜在风险。然而，它们对蔬菜作物的影响仍知之甚少。本研究探讨了聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）对番茄生长和果实品质的生理和分子影响。暴露于PSNPs会降低幼苗生物量、光合作用和根系发育，并通过增加H?O?和O??的水平引发氧化应激。盆栽实验表明，高浓度（16毫克/千克）的纳米塑料会抑制矿物质吸收，从而降低果实产量和营养价值（如可溶性固形物、维生素C、番茄红素）。根系转录组分析发现了388个差异表达基因（DEGs），将这些生长抑制现象与合成和代谢途径的紊乱联系起来。这些发现揭示了纳米塑料在作物中的毒性机制，突显了其对食品安全和可持续农业的威胁。

引言

为满足日益增长的食物需求，农业中普遍使用塑料薄膜和水管（Qi等人，2018年）。然而，这些塑料产品的低回收率引发了人们对微塑料和纳米塑料作为环境污染物的担忧（Boots等人，2019年）。它们可能在土壤中大量积累，对可持续农业发展和食品安全构成威胁（Li等人，2020年）。研究表明，农业土壤中的微塑料和纳米塑料含量高于其他类型的土壤（Rillig和Lehmann，2020年）。截至2019年，中国已成为全球最大的塑料生产和消费国，塑料制品产量达到10亿吨（Larue等人，2021年；Lau等人，2020年）。中国每年仅用于农业目的的塑料薄膜就超过266万吨，回收率低于20%，导致大量塑料垃圾在土壤中积累（Ya等人，2021年；Yang等人，2020年）。这些废弃的塑料薄膜会经历各种物理化学过程，如机械作用（Han等人，2021年）、紫外线照射（Kniazev等人，2021年）、老化（Liu等人，2019年）以及微生物分解（Reddy等人，2023年），最终形成更小的塑料颗粒，如微塑料（空气动力学直径≤5毫米）和纳米塑料（空气动力学直径≤100纳米）。研究表明，农业土壤中的这些塑料颗粒浓度最高（Rillig等人，2020年）。纳米塑料（NPs），定义为直径小于100纳米的塑料颗粒，是微塑料的主要组成部分（Sun等人，2020年）。由于其不可生物降解的特性，纳米塑料可能在土壤中持续存在多年，并参与自然界的物质循环，对自然环境和人类健康造成潜在影响（Ma等人，2020年）。纳米塑料在土壤中的积累对可持续农业实践和食品安全构成威胁（Wolff Leal等人，2025年）。

尽管先前的研究已经证明了纳米塑料对水稻（Zhou等人，2021年）和小麦（Lian等人，2020年）等主要作物的毒性，但对园艺作物，特别是茄科蔬菜的系统研究仍然有限（Li等人，2021年；Zhang等人，2022年）。目前的研究主要集中在短期水培暴露上，忽视了长期土壤栽培对农业评估的重要性（Li等人，2020年；Li等人，2020年）。蔬菜作物应激反应的分子机制也尚未明确，限制了缓解策略的开发（Wang等人，2022年）。

土壤中的纳米塑料可以直接或间接影响植物的生长发育（Li等人，2021年；Wang等人，2022年）。这些影响可以分为三个方面：（1）纳米塑料被植物吸收，导致机械损伤（Zhou等人，2021年）；长期暴露于纳米聚对苯二甲酸乙二醇酯（nPET）会对水稻植株的生长发育和产量产生负面影响（Xie等人，2025年）；（2）纳米塑料有可能吸附土壤中的其他有机污染物和重金属离子，加剧对植物的危害（Adjei等人，2014年；Heskett等人，2012年；Wu等人，2019年；Massos和Turner，2017年）；（3）作为聚合物，纳米塑料可能会向土壤中释放单体分子和化学添加剂，带来潜在的环境风险（Wang等人，2024年）。最近的研究表明，纳米塑料可以通过根部分泌物被吸收，并通过侧根生长产生的间隙进入植物体内，然后通过植物蒸腾作用传输到各种组织和器官（Li等人，2020年；Sun等人，2020年）。目前的研究表明，小麦（Li等人，2021年）、水稻（Zhou等人，2021年）、玉米（Zhang等人，2022年）、黄瓜（Li等人，2020a）和生菜（Li等人，2020b）等作物可以吸收纳米塑料。这些纳米塑料会在植物细胞中积累，并可能通过食物链进入人体，造成不可逆的伤害（Mammo等人，2020年；Sun等人，2020年）。纳米塑料在细胞内的积累已被证明会影响植物的多种生理过程和代谢（Sun等人，2020年）。例如，在水稻中，暴露于50和100毫克/升的纳米塑料会导致抗氧化酶活性增加以及与非生物胁迫反应相关的代谢途径改变（Zhou等人，2021年）。Lian的研究表明，浓度在0.01至10毫克/升之间的100纳米纳米塑料会通过改变能量和氨基酸代谢以及减少叶片中的微量营养素积累来抑制小麦的生长发育（Lian等人，2020年）。纳米塑料的积累会导致活性氧的产生，并对植物细胞造成不可逆的损伤（Yu等人，2024年）。Gao的研究表明，随着纳米塑料浓度的增加，油菜中的H?O?和O??水平显著升高（Gao等人，2019年）。此外，一项研究显示，100纳米纳米塑料会显著降低黄瓜中的叶绿素a和b含量、可溶性糖、类胡萝卜素和脯氨酸含量，影响光合作用和抗氧化系统（Li等人，2020a）。Zhou的研究指出，纳米塑料会改变水稻根系的形态并抑制水培条件下的根系生长（Zhou等人，2021年）。还有一些研究表明，光老化的纳米塑料对植物的毒性作用更为严重（Wang等人，2024年）。

番茄是全球广泛种植的设施蔬菜作物，在其栽培过程中常使用塑料制品，如棚架薄膜、灌溉管道等（Mendon?a等人，2021年）。主要使用的塑料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）（Isari等人，2021年；Yu等人，2021年）。这些塑料以及用作基质的有机肥料共同导致了土壤中纳米塑料的存在，对番茄栽培构成了风险（联合国粮食及农业组织（FAO），2021年；Zhang等人，2023年；Zhao等人，2023年）。本研究旨在探讨聚苯乙烯纳米塑料对番茄生长、发育、产量和果实品质的影响。研究内容包括检测水培和土壤条件下番茄根系对纳米塑料的吸收情况，评估不同纳米塑料浓度对生长参数、生理和生化指标、光合色素以及番茄幼苗抗氧化系统的影响。此外，还评估了纳米塑料对番茄根系形态、养分吸收和果实品质的影响。最后，通过番茄根系的转录组分析探讨了纳米塑料对番茄生长和产量影响的分子机制。

基于这些发现，本研究引入了三项方法创新：首先，我们建立了一个集成的水培-土壤实验系统，系统评估聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）对番茄栽培的影响，从而弥合了控制环境与农田条件之间的差距。其次，转录组分析揭示了与PS-NPs相关的分子调控网络，发现了蔬菜作物中的新型遗传适应机制。第三，通过整合生理和转录组数据，我们构建了一个理解茄科作物中纳米塑料毒性途径的机制框架。鉴于塑料材料在番茄生产系统中的广泛应用，这项研究为评估纳米塑料在蔬菜农业中的生态风险和制定可持续食品安全协议提供了重要的科学依据。

PSNPs的特性

本研究使用了两种PSNPs，包括红色荧光聚苯乙烯和非荧光聚苯乙烯，粒径均为100纳米，购自中国西安的Qiyue Biotechnology有限公司。PSNPs以10毫克/毫升的浓度分散并保存在水中。使用日立公司的场发射扫描电子显微镜（SEM SU8000）来表征PSNPs的粒径和形态，并拍摄了电子显微照片。

结论

作为持久性的环境污染物，纳米塑料对农业可持续性构成系统性威胁。本研究的初步发现表明，纳米塑料可以被番茄根系吸收，并可能迁移到地上组织——为了解纳米塑料在可食用蔬菜中的环境行为提供了关键见解。从机制上看，转录组分析显示纳米塑料会干扰根系的信号传导、合成和代谢途径，导致活性氧的积累和变化。

作者贡献声明

游明远：撰写——原始草稿、研究、数据整理。 周婷：撰写——审阅与编辑、可视化。 闫佳辉：撰写——审阅与编辑。 马静月：撰写——审阅与编辑。 孔婷婷：形式分析。 胡松申：软件、资源支持。 胡晓辉：软件、资源支持、概念构思。 李晓静：验证、监督、资金筹集。

未引用参考文献

Anchana, Aphiwat和Nuansri, 2005

Balsells-Llauradó等人，2023

Chen等人，2015

Feng等人，2023

Huby, Napier, Baillieul, Michaelson和Dhondt-Cordelier, 2020

Kal?íková, ?gajnar Gotvajn, Kladnik和Jemec, 2017

Khare等人，2020

Li等人，2021

Lian等人，2021

McMurtrie和N?sholm, 2018

Nakagami, Pitzschke和Hirt, 2005

Rai, 2002

Rhoads, Umbach, Subbaiah和Siedow, 2006

Tohge, Watanabe, Hoefgen和Fernie, 2013

Wang等人，2023

Wang和Wang, 2020

Wang等人，2023

Waszczak, Carmody和

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2019YFD1000300）、中国农业研究体系（CARS-23-D06）以及西北农林科技大学医生科学创业基金会（Z1090122021）的资助。我们感谢西北农林科技大学园艺学院园艺科学研究中心的Juan Xie在显微数据收集方面提供的技术支持。