《Plant Nano Biology》：Graphene oxide nanomaterials reduce tetrabromobisphenol-A accumulation and attenuate phytotoxicity in
Allium cepa
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本研究针对广泛存在的溴化阻燃剂TBBPA对作物的毒性问题，创新性地探讨了氧化石墨烯（GO）纳米材料在缓解TBBPA植物毒性中的作用。研究人员通过系统整合生化胁迫指标与污染物吸收表征，发现GO与TBBPA共存时表现出显著的拮抗作用，能有效降低TBBPA在洋葱根部的积累，减轻氧化应激，部分恢复细胞活力，为碳纳米材料在农业环境中调控有机污染物毒性及可持续风险评估提供了新的机制见解。
在当今电子废弃物激增的背景下，溴化阻燃剂，特别是产量最大的四溴双酚A（TBBPA），通过工业废水、电子垃圾拆解等途径大量进入土壤环境，对农作物构成严重威胁。TBBPA已被证实能改变水稻、黄瓜等作物的根系形态，阻碍养分和水分的吸收，最终危及作物产量和农业可持续性。与此同时，碳基纳米材料，尤其是氧化石墨烯（GO），因其高比表面积和丰富的表面官能团，在环境修复领域展现出巨大应用潜力。然而，GO本身在特定浓度下对植物也可能诱发氧化应激，这种既可作为应激源又可作为污染物吸附剂的“双重角色”，使其在与TBBPA等污染物共存时的相互作用变得尤为复杂和关键。理解GO如何影响TBBPA在植物体内的积累及其毒性效应，对于准确评估纳米材料在农业生态系统中的环境风险具有重要意义。为此，来自Vellore Institute of Technology的研究团队在《Plant Nano Biology》上发表论文，以洋葱（Allium cepa）这一经典的生物指示植物为模型，深入探究了GO与TBBPA的联合毒性效应及其内在机制。
研究人员为开展此项研究，主要运用了几项关键技术。首先，他们采用改良的Hummers法制备了GO，并利用FE-SEM-EDX（场发射扫描电子显微镜-能谱仪）、HRTEM（高分辨透射电子显微镜）、DLS（动态光散射）、FT-IR（傅里叶变换红外光谱）和XRD（X射线衍射）对其形貌、尺寸和化学结构进行了系统表征。其次，通过LC-MS（液相色谱-质谱联用）技术精确测定了暴露介质中TBBPA的实际浓度及其在植物根部的吸收量。在生物学效应评估方面，研究采用了洋葱根尖细胞模型，通过Evans blue染色法检测细胞活力，使用特定荧光探针检测总ROS（活性氧）、羟基自由基和超氧阴离子自由基的水平，通过测定MDA（丙二醛）含量评估LPO（脂质过氧化）程度，并分析了SOD（超氧化物歧化酶）和CAT（过氧化氢酶）等抗氧化酶的活性变化，同时测定了总蛋白和总糖含量。此外，还运用统计学方法（如双因素方差分析和主成分分析）评估了GO与TBBPA相互作用的性质（协同、拮抗或相加）。
3.1. GO和TBBPA的物理化学表征
研究人员首先对合成的GO及其与TBBPA的相互作用进行了系统的理化表征。FE-SEM和TEM图像显示GO呈现出典型的褶皱层状形态，EDX分析证实其主要由氧和碳元素组成。FT-IR光谱显示了GO表面的特征官能团，如-OH、C=O和C-O。当GO与TBBPA相互作用后，FT-IR谱图出现明显变化，表明TBBPA成功吸附在GO表面，可能通过π-π堆积和氢键作用。XRD图谱显示GO在2θ ≈ 11.86°处有一个明显的衍射峰。吸附实验表明，GO对TBBPA具有显著的吸附能力，吸附效率随GO浓度增加而提高，在25 mg L-1GO和1 mg L-1TBBPA条件下，吸附率可达57.69%。UV光谱分析进一步揭示，TBBPA的存在会显著降低GO在介质中的可用性，表明两者形成了稳定的复合物。
3.2. 洋葱根尖细胞活力评估
单独暴露于TBBPA（0.5-10 mg L-1）导致洋葱根尖细胞活力呈剂量依赖性下降，在10 mg L-1时细胞活力下降约50%。单独暴露于GO（5和25 mg L-1）也表现出细胞毒性，在25 mg L-1时细胞活力下降约44%。然而，当GO与TBBPA共同暴露时，细胞的损伤程度在所有测试浓度下均显著降低，表现出明显的拮抗作用。例如，与10 mg L-1TBBPA单独处理相比，25 mg L-1GO + 10 mg L-1TBBPA处理使细胞活力提高了约14%。独立作用模型计算进一步证实了这种拮抗相互作用，所有浓度组合的抑制比（RI）均小于1。
3.3. 氧化应激指标评估
TBBPA单独暴露引起剂量依赖性的总ROS、羟基自由基和超氧阴离子自由基水平升高，并显著增强了LPO（通过MDA含量衡量）。GO单独暴露也诱导了中度氧化应激。然而，GO与TBBPA共同暴露显著降低了所有这些氧化应激指标的水平。例如，共同暴露使总ROS生成最大减少25%，羟基自由基减少46%，超氧阴离子自由基减少200%，MDA含量减少70%。这表明GO有效缓解了TBBPA引发的氧化损伤。
3.4. 抗氧化酶产生评估
面对TBBPA或GO单独暴露引发的氧化应激，洋葱根尖细胞通过上调SOD和CAT的活性进行防御。但在GO与TBBPA共同暴露的情况下，SOD和CAT的活性均显著降低，最大降幅分别达77%和68%。这种酶活性的降低并非由于酶功能受损，而是因为GO吸附TBBPA后，降低了TBBPA的生物有效性，从而减轻了细胞的氧化应激负担，减少了对高水平抗氧化防御的需求。
3.5. 总蛋白和总糖含量测定
TBBPA或GO的单独暴露导致洋葱根尖细胞中总蛋白和总糖含量显著下降，表明细胞代谢活动受到抑制。然而，在GO与TBBPA共同暴露下，蛋白和糖含量均得到显著恢复，趋向于对照组水平。这反映了在GO缓解TBBPA毒性后，细胞代谢功能得以部分恢复。
3.6. 根细胞对TBBPA的吸收
LC-MS分析显示，GO的存在显著降低了TBBPA在洋葱根部的积累。例如，在10 mg L-1TBBPA暴露下，根部TBBPA吸收量为0.66 mg L-1，而加入5 mg L-1或25 mg L-1GO后，吸收量分别降至0.21 mg L-1和0.19 mg L-1。这直接证明了GO通过吸附作用降低了TBBPA对植物的生物有效性。
3.7. 毒性参数相关性分析
Pearson相关性分析和主成分分析（PCA）揭示了各毒性参数间的内在联系。细胞活力与氧化应激指标（如ROS、LPO）呈负相关，与生化指标（蛋白、糖）呈正相关。PCA结果明确将TBBPA单独处理（高氧化应激）与GO及GO+TBBPA处理（应激减轻，细胞活力及生化指标恢复）区分开，进一步支持了GO对TBBPA毒性的拮抗作用。
本研究通过综合运用物理化学表征和生物学效应评估，首次在植物体系中揭示了GO与TBBPA之间存在拮抗相互作用。其核心机制在于GO能够通过其表面官能团与TBBPA发生强烈的吸附作用（如π-π堆积、氢键），形成GO-TBBPA复合物，从而显著降低TBBPA在环境介质中的生物有效性以及在植物根部的积累量。这种吸附介导的“屏蔽”效应，最终导致由TBBPA引发的氧化应激（ROS爆发、LPO）、细胞毒性以及代谢抑制得到显著缓解。这项研究将污染物的吸收动力学与其引发的生化扰动在复合暴露情境下关联起来，深化了对碳纳米材料与有机污染物在植物系统中相互作用的理解。研究结果强调，在评估纳米材料的农业环境风险时，必须考虑其与共存污染物的相互作用，这为未来开发基于纳米材料的污染控制策略以及进行更准确的环境风险评估提供了重要的科学依据和机制见解。值得注意的是，GO在降低TBBPA生物有效性的同时，其自身的环境行为也可能被TBBPA所改变，这种相互影响凸显了复杂环境体系中污染物命运与效应的耦合关系。
