《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Physicochemical Determinants of Metal-Based Nanoparticle Uptake and Translocation in Plants: A Review
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金属基纳米颗粒（MNPs）在农业中的应用涉及吸收与转运机制，其大小、表面电荷及与根系界面、细胞壁结构的相互作用是关键影响因素。现有研究多聚焦单一纳米颗粒或特定生理过程，对植物源生物分子介导的纳米颗粒溶解及界面稳定性作用尚不明确，制约了材料设计与应用效果。本文系统整合不同植物系统与环境条件下的研究，阐明MNPs通过根部绒毛、侧根及叶片气孔等途径的吸收机制，以及通过木质部和韧皮部的转运规律，为农业应用优化和环境风险评估提供理论依据。
段鸿兵|赵亚文|孙文荣|李婉婷|卡丹博特·H·M·西迪克|毛辉|周琳娜
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学自然资源与环境学院，邮编712100
摘要
基于金属的纳米颗粒（MNPs）在工业和农业生产中得到广泛应用，并且越来越多地释放到环境中。大量证据表明，这些纳米颗粒会在农业土壤中积累，随后被作物根系吸收并运输到地上部组织。影响这些过程的因素包括纳米颗粒的大小、根表面形态以及传输途径等。然而，关于纳米颗粒在根系中的吸收机制及其在植物体内的传输机制仍不完全清楚。本文综述了目前关于植物根系吸收纳米颗粒途径及其在细胞内传输途径的研究进展，并评估了调控这些过程的关键因素。
引言
基于金属的纳米颗粒（MNPs）是由金属或金属氧化物组成的超细材料，其至少一个维度通常在1到100纳米之间[1]。由于其高比表面积、强大的抗菌和抗氧化性能以及可调的光学和电化学性质，它们被广泛应用于化学、医学、食品和农业领域2, 3, 4。在农业中，MNPs在开发纳米肥料、增强重金属植物修复能力以及提高作物对环境压力的耐受性方面具有独特优势5, 6, 7。例如，像ZnO和Fe3O4这样的金属氧化物纳米颗粒可以作为纳米肥料，实现微量营养素的可控释放，并减少通过固定或淋溶造成的营养损失[8]。
尽管这些应用前景广阔，但MNPs在农业中的实际效果取决于它们能否通过根系和叶片途径有效吸收。这些途径在农业系统中起着关键作用[9]。通过这些途径的吸收决定了纳米颗粒是否能够突破生物屏障进入内部组织，而其内部的传输则决定了它们在植物器官中的分布。研究表明，MNPs的吸收和传输过程与传统金属离子及有机纳米塑料有所不同。与有机纳米塑料的生物持久性和疏水性不同，MNPs具有高度动态性，在接触植物界面时会发生表面介导的转化，如溶解和氧化还原变化[10]。纳米颗粒的性质（如大小、表面电荷和疏水性）与多种生物界面（包括根表面细胞壁或叶片气孔）之间的相互作用是决定吸收效率和传输行为的关键因素11, 12。在内部传输过程中，表面化学性质在确定传输途径方面起着重要作用。亲水性材料（如nZVI）通常通过质外体和质内体途径传输，而金纳米颗粒（Au NPs）则更容易穿透脂质双层并进入细胞内部[13][14]。
尽管已取得显著进展，但大多数现有研究仅关注单一类型的纳米颗粒或特定的生理过程，限制了跨研究的可比性。在根际和叶-大气尺度上，植物来源的生物分子在促进MNPs溶解和界面稳定性方面的作用尚未得到充分量化[8][12]。这些不确定性阻碍了MNPs在农业中的合理设计和精准应用，常常导致不同植物种类、土壤类型和环境条件下的结果不一致或矛盾。
因此，本文全面总结了调控MNPs吸收和传输的机制，以支持更有效的材料选择、应用策略和环境风险评估。
章节摘录
细胞壁结构与纳米颗粒吸收
根细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶构成，形成一个多孔网络，孔径通常在5-20纳米之间。小于孔径阈值的纳米颗粒可以穿透细胞壁进入皮层组织，而较大的颗粒则被滞留在表皮层或细胞间隙中[8][12]。不同植物物种的根系解剖结构和孔径大小差异会影响吸收效率；例如，Salvinia的孔径约为12纳米
通过根毛和侧根的吸收
根毛和侧根起始区由于具有特定的结构和生理特性，成为纳米颗粒的主要进入点。根毛作为表皮细胞的管状延伸部分，提供了较大的比表面积，大大增加了纳米颗粒接触的机会[34]，其薄细胞壁起到了微孔筛的作用，物理阻力较低。小于细胞壁孔径阈值的纳米颗粒（如3.5纳米的金纳米颗粒和8纳米的CeO2）能够通过这些微孔气孔和角质层途径
叶片吸收是金属基纳米颗粒（MNPs）进入植物维管系统的直接途径，从而绕过了土壤-根界面的复杂化学屏障45, 46。MNPs通过叶片表面的吸收主要通过两条平行途径实现：气孔途径和角质层途径，这两种途径具有不同的尺寸排除限制和传输动力学47, 48。气孔途径被认为是MNPs最有效的进入途径
植物中的纳米颗粒传输
纳米颗粒通过根系（通过木质部向上传输）或叶片（通过韧皮部重新分配）被吸收后，会通过质内体和质外体途径在植物体内进行系统传输。这些传输过程受到纳米颗粒性质和植物解剖结构的调控，具体内容将在后续小节中讨论。总结与展望
本文系统地总结了影响植物根系吸收和内部传输基于金属的纳米颗粒（MNPs）的关键因素。强调了纳米颗粒的物理化学性质与根际-根表面-根组织界面之间的耦合关系，并整合了来自不同植物系统和环境条件下的最新研究成果。与传统金属离子相比，MNPs的行为表现出明显的尺寸效应、界面相互作用等特性
利益声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
毛辉报告称获得了国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了新疆干旱地区农业研究院专项科技创新项目（XJHQNY-2025-6）的支持
同时，我们也感谢国家自然科学基金（编号42477027）的支持
