抗生素的联合使用加剧了钙钛矿复合纳米颗粒对普通芦苇（Phragmites communis）的植物毒性

《Journal of Environmental Management》：The combined exposure to antibiotics intensified the phytotoxicity of perovskite composite nanoparticles to Phragmites communis

协同暴露下SrCoO3-MoS2纳米颗粒与左氧氟沙星的毒性机制及生态风险研究。

　　

何玉轩|朱月明|钱进|卢 Bianhe|唐思静|刘茵|沈俊伟|纪慕生

中国昆明理工大学化学工程学院，昆明，650500

摘要

复合纳米颗粒的研发和应用正在迅速发展，但对其植物毒性的研究仍然有限。在自然环境中，纳米材料常常与其他污染物（如抗生素）共存。然而，关于这些污染物共同作用的研究仍然很少。因此，传统的单一毒性评估方法可能会大大低估它们的实际环境风险。本研究探讨了钙钛矿复合纳米颗粒（SrCoO₃-MoS₂, SM）和左氧氟沙星（LVF）共同暴露对Phragmites communis（P. communis）生理效应的影响。结果表明，与仅暴露于LVF相比，同时暴露于SM和LVF会显著抑制植物生长，P. communis的总根长减少了39.70%（p < 0.05）。这种协同效应的机制与钙钛矿晶格中Co离子的加速渗出有关，这使得植物组织中的Co积累量比单独暴露于SM时增加了4.1倍。这种金属稳态的破坏超出了植物的抗氧化防御系统。此外，共同暴露还负调节了参与抗氧化防御系统和由非生物胁迫引发的多种信号通路的基因表达。这项工作为准确评估复合纳米材料在混合污染条件下的生态风险提供了重要的理论基础和实践见解。

引言

纳米技术是一个应用广泛的领域，涵盖农业科学、材料科学、环境科学和医学等多个学科（Chhipa, 2017; Sardari et al., 2024）。近年来，钙钛矿作为现代环境催化领域的一个研究热点，主要得益于其卓越的催化活性、多样的结构特性以及在多种转化反应中的多功能性（Aldeen et al., 2023）。然而，将这些催化剂应用于农业或生态领域引发了对其环境安全性的担忧。特别是，钙钛矿催化剂中金属离子的意外释放可能对植物造成危害，甚至通过食物链对人类产生不良影响（Pourrut et al., 2011）。因此，深入研究这些新兴复合纳米材料的生物效应和环境归趋对于其安全设计和风险管理至关重要。已有许多研究评估了钙钛矿材料对植物和动物的毒性，包括可浸出化合物和钙钛矿纳米颗粒（Kwak et al., 2021; Zhai et al., 2020）。Li等人的研究将碘化铅（PbI₂）和碘化甲铵（MAI）混合物暴露于薄荷、辣椒和卷心菜中，以评估卤化物钙钛矿的生物效应和铅的生物积累（Li et al., 2020）。Hutter等人评估了多种钙钛矿相关材料（包括钙钛矿溶液、MAPbI₃、MAPbBr₃、PbI₂、PbBr₂、MAI和MABr）在Arabidopsis thaliana中的植物毒性。研究结果表明，碘离子（I^?）的植物毒性影响比铅更明显（Hutter et al., 2022）。然而，在实际应用中，这些材料的催化不稳定性常常被忽视，这可能导致环境风险增加。

近年来，钙钛矿复合材料因其在高级氧化过程（AOPs）中去除废水中有害有机污染物的潜力而受到广泛研究（Yu et al., 2024）。此外，这些复合材料通常含有过渡金属（如SrCoO₃、LaFeO₃），这些成分可能改变材料的稳定性、离子渗出动力学及其与生物系统的相互作用方式，从而导致显著不同的环境行为和毒性机制。需要注意的是，不同植物对钙钛矿材料的敏感性各不相同，因此需要在对更多植物物种进行实验以评估其总体影响（Jose et al., 2024）。此外，了解长期暴露于钙钛矿材料对植物生长和发育的影响对于评估这些材料对生态系统的潜在风险非常重要。在水生生态系统中，水生生物的生长通常发生在复杂的水质条件下（Jo, 2024）。评估涉及钙钛矿纳米颗粒渗出物和有机污染物的复合水系统对水生植物或动物的协同或拮抗效应在自然环境中可能比单一化合物的效应更为复杂。更重要的是，在实际的水生环境中，这些催化材料的设计目的是专门用于降解有机污染物，这意味着它们不可避免地会与抗生素等有机污染物共存并相互作用。

尽管大量研究表明金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒对植物具有有益作用，包括增强抗逆性和提高对环境压力的抵抗力，但也观察到一些纳米颗粒会对植物产生有害影响（Wang et al., 2023b）。基于金属的纳米颗粒引起的非生物胁迫耐受性通常被认为是纳米污染或纳米毒性的根本原因（Biswas and Pal, 2024）。为了确定金属纳米颗粒是否对植物和环境构成威胁，分析影响因素并整理关于吸收和传输机制的数据至关重要，从而研究其对植物的影响。金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒可能产生大量活性氧（ROS），导致植物氧化应激，进而引发毒性、细胞毒性和基因毒性（Wu et al., 2024）。作为响应，植物的防御系统（包括酶促和非酶促抗氧化剂）会被激活，以对抗有害自由基和活性氧（Anand and Pandey, 2023）。然而，多种物质的共同作用可能导致过量ROS的产生，从而可能超出植物的胁迫防御系统，最终导致植物萎蔫（Batelli et al., 2024）。因此，评估纳米颗粒和其他环境污染物共同作用对植物生长、生理、形态、分子和生化过程的影响至关重要。

目前，大多数研究关注单一纳米材料的毒性，而忽略了它们在真实环境场景中与其他污染物不可避免共存的现实。更重要的是，“共同胁迫”的效应远非单一胁迫效应的简单叠加。污染物之间可能产生协同作用，这意味着基于单一成分毒性的传统风险评估模型可能会严重低估实际环境风险。特别是对于新兴的钙钛矿复合纳米材料，在共同暴露条件下它们如何通过影响金属离子渗出行为和植物内源性胁迫信号通路来诱导协同毒性，仍然是一个尚未得到充分研究的科学问题。此外，对于“催化剂-目标污染物”共存系统对水生植物的综合效应的理解不足，这一知识空白可能导致纳米材料环境风险评估与实际情况严重偏离。在我们之前的研究中，已经证明纯相MoS₂纳米颗粒可以改善根际环境（He et al., 2023）。本研究旨在阐明钙钛矿复合材料与抗生素之间的协同毒性机制，从而确定共存污染物是否可能放大纳米材料的潜在生态风险。本研究以河岸植物Phragmites communis（P. communis）为研究对象，探讨其在同时暴露于钙钛矿复合纳米颗粒（SrCoO₃-MoS₂）和典型抗生素左氧氟沙星（Li et al., 2022b）的土壤培养条件下的耐受机制和氧化损伤效应。通过测量植物生长指标、抗氧化酶活性和根系ROS产生的变化，分析了P. communis在共同胁迫下的生理和抗氧化应激反应。此外，还测量了土壤和植物组织中的金属分布，以确定抗生素左氧氟沙星（LVF）的存在是否加剧了钙钛矿复合材料（SM）中钴（Co）的渗出及其被植物吸收。此外，还进行了转录组分析，以阐明这种共同暴露的协同毒性是在生理和分子水平上表现出来的——具体是通过MAPK信号通路和谷胱甘肽代谢通路——是简单的叠加效应，还是由于干扰植物的胁迫防御系统而产生的放大效应。这些发现对于评估与复合钙钛矿纳米材料相关的环境风险具有重要意义，并有助于理解含有有毒金属（如钴）的钙钛矿催化剂在现实环境中的影响。

材料与实验设计

土壤样品信息见补充信息文本S1。

暴露实验在气候控制室中进行。具体而言，暴露处理分为三部分：单独暴露于LVF、单独暴露于复合纳米颗粒（SrCoO₃-MoS₂, SM，见补充信息文本S2），以及SM与LVF的共同暴露（He et al., 2023）。该设计的目的是精确区分SM和LVF的独立效应

植物的生长反应

P. communis生长的视觉评估（图S1）显示，SM10、SM100和LVF单独暴露均抑制了P. communis的生长。然而，所有共同暴露组对P. communis的生长抑制作用更为显著。如图1a所示，CK组中P. communis的根长（TL）与其他暴露组存在统计学上的显著差异。此外，根系参数（包括表面积（SA）也显示了

结论

本研究旨在探讨钙钛矿复合纳米颗粒（SrCoO₃-MoS₂, SM）和LVF的共同暴露对P. communis的影响，阐明共同暴露对植物生长和抗氧化系统的影响，并通过转录组测序揭示基因层面的响应机制。SM和LVF在关键指标（如生长抑制和钴积累）上的统计学显著相互作用（p < 0.001）强调了它们的共同作用

作者贡献声明

何玉轩：撰写——原始草稿、可视化、资源准备、实验设计、数据分析。朱月明：监督、方法学设计、数据管理、概念构思。钱进：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。卢 Bianhe：监督、概念构思。唐思静：验证、实验设计。刘茵：撰写——审稿与编辑、监督。沈俊伟：验证、实验设计。纪慕生：可视化、实验设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2016YFC0401703）、国家自然科学基金（编号：51779078）、江苏省六大人才高峰计划（编号：JNHB-012）以及江苏省高等教育机构优先学术发展计划（PAPD）的财政支持。