《Science of The Total Environment》：Soil-applied polystyrene nanoplastics (PSNPs) remain cortically confined but trigger systemic oxidative and metabolic disruption in
Zea mays L. seedlings
编辑推荐：
纳米塑料（PSNPs）对玉米生长及生理代谢的影响研究显示，0.1-50 mg kg?1土壤添加导致浓度依赖性生长抑制，伴随叶绿素减少、抗氧化酶（CAT、SOD、POD）活性升高及谷胱甘肽还原失衡，代谢组学分析揭示氨基酸和叶绿素合成途径受阻，而苯丙素类代谢物增强，证实纳米塑料通过氧化应激和信号通路干扰损害玉米生理功能。
塔努什丽·巴苏马塔里（Tanushree Basumatary）| 赫门·萨尔马（Hemen Sarma）
印度阿萨姆邦科克拉杰哈尔（Kokrajhar，BTR）博多兰大学（Bodoland University）植物学系 – 783370
摘要
纳米塑料（NPs）是新兴的土壤污染物，但在实际暴露条件下的植物毒性效应仍知之甚少。本研究评估了玉米（Zea mays L.）对土壤中添加的聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs；约47纳米，ζ电位为?65 mV）的反应，浓度范围为0.1–50 mg kg?1，涵盖了与环境相关的高浓度范围。在≤0.1 mg kg?1的浓度下，生长反应较小，但从1 mg kg?1开始受到强烈抑制。PSNPs暴露降低了生物量和叶绿素含量，减少了可溶性蛋白质和碳水化合物，并显著增加了脯氨酸及抗氧化酶——过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的活性。还原型谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽（GSH:GSSG）比例的严重下降表明谷胱甘肽的氧化还原缓冲能力受到显著损害。
共聚焦成像显示，PSNPs相关的荧光仅限于表皮和皮层组织，而导管部几乎没有信号，这表明系统性的影响可能源于根部局部应激而非颗粒的移动。对茎部的非靶向液相色谱-高分辨率质谱（LC–HRMS）代谢组学分析显示，与氨基酸相关的代谢物协调下调，卟啉/叶绿素途径的中间产物受到抑制，同时苯丙素和黄酮类化合物途径被选择性激活——这与氧化应激驱动的代谢重编程一致。
综上所述，这些发现表明，即使在没有可检测到的血管转运的情况下，土壤中添加的PSNPs也会通过氧化和信号传导相关过程干扰玉米的生长和氧化还原平衡。本研究提供了纳米塑料对主要粮食作物造成代谢和生理损害的生态学证据，强调了将纳米塑料监测纳入土壤健康和农业可持续性框架的必要性。
引言
纳米塑料（NPs）定义为直径小于1微米的塑料颗粒，越来越多地被认为是陆地和水生生态系统中的持久性和生物活性污染物。这些颗粒来源于较大塑料通过光化学、微生物、热和机械降解过程的破碎（Arif等人，2024年）。由于其纳米级尺寸和高表面积与体积比，NPs表现出更强的反应性、移动性和细胞内化的潜力，引发了对其生物利用度和毒理学影响的担忧（Pelegrini等人，2023年）。在各种纳米塑料类型中，聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）是最常在环境样本中检测到的，并被广泛用作纳米毒理学的模型颗粒（Kik等人，2020年）。尽管早期研究主要集中在水生环境中，但最近的证据表明农业土壤是NPs的主要汇，通过塑料地膜降解、污泥施用、废水灌溉和大气沉降等方式进入土壤（Jiang等人，2022年）。在土壤中，PSNPs与天然有机物、粘土矿物和微生物群落相互作用，这可以改变它们的表面电荷、聚集行为，并最终影响其对植物的生物利用度（Chen等人，2025年）。
一旦进入根际，PSNPs可以通过质外途径和质内途径被植物根部吸收并转运到地上组织，这一过程通常由水通道蛋白、离子通道或内吞作用促进（Wang等人，2023年）。内化的颗粒已在茎、叶甚至可食用部分中被检测到，引发了关于食物链转移和人类暴露的担忧（Wang等人，2025年）。转运效率受颗粒大小、形态和表面电荷的影响，较小且带正电的NPs通常具有更大的系统性移动性（Prakash等人，2025年）。植物毒性效应包括生长抑制、氧化应激、营养素谱变化以及关键生理和代谢过程的紊乱（Hussain等人，2025年）。
水培研究表明，PSNPs引起的植物毒性取决于颗粒大小、浓度和表面化学性质。例如，Wang等人（2025年）报告称，80纳米的PSNPs（浓度为10–100 mg L?1）抑制了大豆（Glycine max）幼苗的生长并增强了氧化应激。这一水培证据表明植物毒性具有大小依赖性，涉及氧化失衡和代谢紊乱。然而，尽管土壤环境更为重要，基于土壤的研究仍然有限。在玉米（Zea mays L.）幼苗中，对特定大小PSNPs（100、300和500纳米；浓度为50 mg L?1）的暴露激活了根部的抗氧化防御机制，并显著增加了脂质过氧化，但没有显著影响光系统效率，表明应激反应主要集中在根部。非靶向代谢组学进一步揭示了初级代谢的重组，特别是涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸途径的应激耐受性和解毒作用（Zhang等人，2022a）。这些以根部为中心的氧化和代谢反应在土壤生长条件下的持续性尚不清楚。在土壤中，纳米塑料与矿物-有机基质动态相互作用，改变其移动性和毒性。例如，Sun等人（2020年）让拟南芥（Arabidopsis thaliana）暴露于氨基化（PS–NH?，71 ± 6纳米）和磺化（PS–SO?H，55 ± 7纳米）的聚苯乙烯纳米塑料，浓度为0.3–1.0 g kg?1的土壤中。尽管这些功能化颗粒与本研究中合成的非功能化PSNPs不同，但它们的结果展示了表面化学性质如何显著影响植物的吸收和应激反应。同样，Li等人（2024年）报告称，75纳米的PSNPs（干土壤浓度为0.05–1.0 mg g?1Allium sativum）中的色素和代谢物，并诱导了苯乙烯的释放，证实了即使在低浓度下也能发生远距离转运。
虽然已证明PSNPs的毒性随浓度增加而增强，但了解其在田间条件下的相关性仍然至关重要。环境调查显示，包括聚苯乙烯微塑料和纳米塑料在内的塑料在农业土壤中的浓度通常为0.01–5 mg kg?1，而在热点区域可能达到20–50 mg kg?1（Büks和Kaupenjohann，2020年）。因此，本研究中使用的PSNPs暴露范围（0.1–50 mg kg?1）涵盖了与环境相关的高浓度范围，确保了生态学的合理性。
尽管玉米（Zea mays L.）是一种全球重要的谷物作物（Kumar和Sr，2018年），但关于其在实际土壤暴露下的PSNPs吸收、分布和亚致死生理效应的信息仍然有限。这一知识空白令人担忧，因为玉米是纳米塑料进入陆地食物网的主要途径，对粮食安全和农业生态系统可持续性具有重要影响。
为填补这一空白，本研究使用改进的乳化-溶剂蒸发方法（Barto?等人，2022年）合成了特征明确的PSNPs，研究了其植物毒性、吸收和空间分布。该程序产生了粒径均匀、未功能化的PSNPs，具有可控的大小和表面电荷。采用与环境相关的高浓度范围进行土壤暴露实验，以评估玉米幼苗的局部（根部）和系统性（地上部分）反应。通过整合生理测量、抗氧化和氧化还原分析、共聚焦成像以及非靶向液相色谱-高分辨率质谱（LC–HRMS）代谢组学，本研究提供了在生态学合理条件下PSNPs与主要粮食作物相互作用的机制性见解。
PSNPs的合成与表征
使用商业聚苯乙烯珠子（分子量约为35,000 g mol?1；Sigma-Aldrich）作为未功能化的聚合物来源。根据Barto?等人（2022年）的方法，采用改进的乳化-溶剂蒸发法合成了聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）。简要来说，将86.7毫克聚苯乙烯溶解在20毫升甲苯中，然后逐滴加入含有十二烷基硫酸钠（SDS；116.5毫克，2.33毫克/mL；纯度≥99%，Sigma-Aldrich）的50毫升Milli-Q水中，作为临时稳定剂。
PSNPs的合成与表征
如方法部分所述，PSNPs是通过乳化-超声法获得的。由于在合成过程中使用了十二烷基硫酸钠（SDS）作为稳定剂，因此包括了仅含SDS的对照组，以验证透析后的残留表面活性剂是否具有植物毒性效应。在测试的参数范围内，SDS处理和未处理植物的根部和地上部分的生长、叶绿素含量、蛋白质水平以及CAT活性之间没有显著差异（p > 0.05）；
局限性与未来方向
这项为期21天的土壤实验提供了比水培研究更具生态意义的见解；然而，短期幼苗试验无法完全捕捉整个生长季节的生理反应或田间规模的变异性。尽管我们的研究将生长、色素状态、抗氧化活性、谷胱甘肽氧化还原平衡、共聚焦成像和代谢组学整合到了一个连贯的、综合性的玉米对PSNPs暴露反应的机制框架中，但仍存在一些局限性。
首先，实验
结论
本研究表明，土壤中添加的聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs；约47纳米，ζ电位为?65 mV）会导致玉米出现浓度依赖性的生理和生化紊乱。生长抑制、叶绿素损失和代谢耗竭伴随着强烈的氧化应激，表现为抗氧化酶（CAT、SOD、POD）的早期激活，随后是谷胱甘肽的耗竭和氧化还原平衡的崩溃。共聚焦成像显示，罗丹明-B标记的PSNPs荧光仅限于表皮组织
CRediT作者贡献声明
塔努什丽·巴苏马塔里（Tanushree Basumatary）：撰写初稿、数据可视化、验证、软件使用、方法设计、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。赫门·萨尔马（Hemen Sarma）：撰写与编辑、数据可视化、监督、软件使用、项目管理、方法设计、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。
利益冲突声明
作者声明本研究中描述的工作未受到任何已知的竞争性财务利益或个人关系的影响。
致谢
作者衷心感谢博多兰大学在整个研究过程中提供的机构支持和帮助。我们感谢印度阿萨姆邦古瓦哈提（Guwahati）的Guwahati Biotech Park提供的实验室设施和技术支持，包括用于实验工作的共聚焦激光扫描显微镜。作者还感谢印度阿萨姆邦古瓦哈提的AGT Bioscience公司进行了基于LC–HRMS的代谢组学分析。塔努什丽·巴苏马塔里（Tanushree Basumatary）
