《International Journal of Phytoremediation》：Micro and nanoplastics as emerging stressors influencing plant metabolism and nutrient dynamics
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这篇前沿综述系统探讨了农业土壤中微纳米塑料（MNPs）的来源、其在植物体内的吸收转运机制，并重点阐释了MNPs如何通过诱导氧化应激、干扰土壤微生态与理化性质，进而影响植物的初级与次级代谢、养分分配及可食组织的营养品质，最终对作物生产力、食品安全和农业生态系统可持续性构成潜在威胁。
引言
全球每年塑料产量巨大且持续增长，由于极强的抗生物降解性，大量塑料废弃物在环境中积累。在农业系统中，地膜、温室覆盖物、灌溉部件等塑料制品被广泛应用，使农田成为塑料残留物的主要汇集地。这些塑料在物理、化学和生物过程作用下，会崩解形成从毫米到纳米尺度的塑料颗粒，即微塑料（MPs，100 nm–5 mm）和纳米塑料（NPs，<100 nm），合称MNPs。纳米级塑料已在农业土壤中被检测到，其对植物生长、土壤质量、食品安全和人类健康的影响引起了广泛关注。
农业土壤中MNPs的来源
MNPs通过多种途径进入土壤并持续存在。其主要来源包括：
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农膜残留：广泛使用的聚乙烯（PE）等地膜，在使用后破碎残留于土壤，是农田MNPs的重要来源。据估计，全球农业土壤中可能含有高达660万吨的微塑料。
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污水与污泥：将污水和污水处理后的污泥用于灌溉和施肥，会将大量MNPs带入农田。研究发现，污水处理厂污泥中MPs浓度很高，而未处理的污水灌溉会加剧污染。其中，来自衣物的丙烯酸、聚酯和聚乙烯纤维是最常见的MPs类型。
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大气沉降：MNPs可通过风力作用从地表进入大气，经长距离传输后沉降到包括农田在内的各种区域。城市地区的大气MPs沉降通量通常高于农村或偏远地区，其中纤维占主导地位。
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垃圾填埋场：作为主要的塑料废弃物处置场所，填埋场在多种物理化学应力作用下会产生大量的次生MNPs，其渗滤液也是MNPs和塑化剂等添加剂进入环境的重要途径。
MNPs在植物中的进入与转运途径
研究表明，植物可以吸收MNPs。
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根部吸收：纳米塑料（NPs）可通过根部的裂缝（尤其在侧根发生部位）进入根组织，在细胞间隙积累并最终到达中央维管柱，随后通过木质部转运至茎、叶和果实等地上部分。根系分泌物和黏液形成的物理化学屏障可在一定程度上阻碍MNPs的直接接触。微塑料（MPs）则大多被吸附或累积在根部，较少向地上部转运。MNPs在根部的积累会堵塞细胞壁孔隙，阻碍水分和养分吸收，抑制植物生长，并诱导活性氧（ROS）积累，造成氧化应激。
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叶面吸收：大气沉降的NPs可附着在叶片表面，并通过微小的角质层裂缝或气孔进入植物体内。进入后，NPs可通过韧皮部转运至生殖组织。研究表明，植物由于静电吸引倾向于积累更多带正电的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs），其对光合作用和抗氧化产物产生的抑制作用也更强。
对初级和次级代谢的改变
MNPs作为一种环境胁迫因子，会影响植物的生化途径。这种代谢重编程通常始于细胞水平的氧化失衡、化学暴露或物理干扰相关的胁迫信号。MNPs暴露可诱导氧化应激、激素紊乱和与营养相关的代谢变化。
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初级代谢：MNPs可对植物造成细胞毒性、遗传毒性和氧化损伤。例如，暴露于PS-NPs可导致水稻幼苗碳代谢上调，而暴露于聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）则导致草莓中与碳水化合物和脂质代谢相关的基因下调，脂肪酸代谢物显著减少。聚丙烯（PP）、PE、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等 MPs 会通过改变植物元素组成，破坏叶绿素合成和光合作用，从而抑制南瓜生长。
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次级代谢：MNPs也会干扰植物次级代谢。例如，PVC NPs 暴露会通过茉莉酸和水杨酸信号抑制萝卜的苯丙烷生物合成。PS-MP暴露导致黄瓜叶片中关键苯丙烷代谢物（如咖啡酰奎尼酸）积累，但下调了相关合成基因的表达。在羽衣甘蓝中，PE-MPs 触发的ROS激增扰乱了次级代谢物合成和激素网络。在高地大麦中，PS-MPs显著改变了类黄酮、嘧啶、嘌呤、脂肪酸和苯丙烷的生物合成。
可食部分营养谱的变化
MNPs污染会通过改变宏量和微量营养素水平，以及促进有毒元素积累，破坏可食植物部分的营养成分构成，对食品安全和膳食质量构成威胁。
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碳水化合物：MNPs会降低叶绿素含量、气孔导度和光合效率，减少CO2固定和碳水化合物合成。例如，暴露于混合MPs的番茄果实总糖含量比对照组下降了21.7%。MNPs诱导的氧化应激会破坏Rubisco等酶，进一步减少糖和淀粉的生物合成。此外，根孔物理性堵塞会限制水分和养分吸收。
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蛋白质：MNPs通过损害氮同化、改变养分吸收以及通过氧化应激诱导蛋白质组失衡来破坏可食植物中的蛋白质合成和积累。例如，在MNP污染的基质中生长的空心菜，其粗蛋白含量降低了10-25%。MNPs还会干扰土壤微生物群落，降低氮的存留和有效性。MNP暴露促进的ROS生成会导致核糖体结构氧化损伤和生物合成蛋白变性。
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脂质：MNPs会干扰植物脂质代谢，影响脂质的数量和质量。暴露于2 μm PS-MPs导致植物中某些脂肪酸生物合成代谢物比对照组减少64.9%。MNP暴露会增加氧化应激标志物（如脂质过氧化），降解膜脂质。例如，暴露于PE和PVC MPs 会增加大豆中的丙二醛（MDA）含量，这是脂质过氧化的关键指标。此外，MNPs还会改变脂肪酸组成，例如PS-MPs 会系统性降低小球藻中必需的亚麻酸（C18:3n-3）浓度，同时增加油酸（C18:1n-9）浓度。
环境与农业影响
MNPs对农业生态系统具有广泛影响。
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土壤性质与微生物：MNPs会改变土壤结构，降低保水能力，并破坏对养分循环和有机物分解至关重要的微生物群落。这会影响根系-土壤相互作用，限制植物对水分和养分的获取。微生物介导的过程（如氮矿化和磷溶解）受到干扰，直接影响根际养分有效性。
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污染物载体：MNPs可作为重金属、农药和抗生素等环境污染物的载体，这些污染物在根际解吸附会加剧土壤化学胁迫，损害微生物功能，增加植物毒性。植物可能因此经历MNPs和相关有毒物质的复合胁迫，导致有毒元素（如Cd、Ni）在可食组织中积累增加。
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作物生产力：长期暴露于MNPs会导致植物生物量减少、发育迟缓和果实产量下降。例如，PVC-MP 暴露使番茄果实产量降低了25%，并显著降低了番茄红素和可溶性糖等必需营养素的含量。
人类健康与监管关切
MNPs主要通过摄入受污染的食物和水以及吸入空气对人类构成潜在风险。摄入MNPs可能引发炎症、氧化应激、组织损伤和肠道微生物群失调。作为载体，MNPs会将重金属、添加剂和病原体带入人体。附着在MNPs上的内分泌干扰化学物（如BPA）可能损害激素功能和生殖健康。慢性暴露于MNPs与代谢异常和慢性疾病的关联日益受到关注。鉴于在可食水果和蔬菜中检测到MNPs，人类膳食暴露风险引发担忧，迫切需要制定监管标准和可持续农业实践以减少污染。
结论与未来展望
当前证据表明，环境中的MNPs可能被植物吸收，干扰其初级和次级代谢过程，从而改变植物营养谱，引发对粮食安全及膳食暴露人类健康风险的关切。然而，现有知识大多源自实验室研究，迫切需要实地尺度和长期研究，以在真实农业环境下评估其生态相关性和影响程度。未来研究需聚焦于：开发现场条件下MNPs的长期效应评估、土壤和植物组织中MNPs标准化检测方法、MNP老化与环境风化对其特性的影响、不同作物物种的响应差异、利用组学技术阐明毒性通路与植物抗性机制、评估MNP在作物中的生物累积及食物链传递风险，以及探究MNPs与农用化学品及气候胁迫因子的交互作用。
