离子介导的生物源性和合成CuO纳米颗粒对Azolla filiculoides的毒性作用：吸收、氧化应激以及叶绿体功能的破坏

《Chemosphere》：Ion-mediated toxicity of biogenic and synthetic CuO nanoparticles in Azolla filiculoides: Uptake, oxidative stress, and disruption of chloroplast function

纳米铜氧化物颗粒合成路线对水生植物毒性的影响研究，发现绿色合成的CuO NPs因更高的铜生物可利用性导致植物Cu积累量（70倍）显著高于化学合成（42倍）和硫酸铜对照组（51倍），同时引发活性氧（ROS）大量积累和光合效率下降。

　　

拉贾·高什（Raja Ghosh）|普拉桑蒂·卡尔基多利（Prasanti Karkidoli）|斯瓦伦杜·罗伊（Swarnendu Roy）

印度西孟加拉邦大吉岭拉贾拉莫亨普尔（Raja Rammohunpur）北孟加拉大学（University of North Bengal）植物学系植物生物化学实验室

摘要

氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）在工业和农业产品中的广泛使用增加了它们释放、处置以及随后污染水体的可能性。虽然离子态Cu以其毒性而闻名，但不同基于Cu的产品的CuO NPs释放情况会因材料的组成、表面化学性质和合成路线而异。因此，本研究旨在比较通过绿色（gCuO NPs）和化学（cCuO NPs）方法合成的CuO NPs对Azolla filiculoides的影响。使用块状CuSO₄作为Cu诱导毒性的阳性对照。实验中，分别使用了三种不同浓度的gCuO NPs（10、50和100 mg L^?1）和cCuO NPs，并与块状CuSO₄粉末（CSP）一起暴露于3天、6天和9天。原子吸收光谱（AAS）的结果表明，最高浓度的gCuO NPs使Cu在植物体内的积累增加了70倍，其次是CSP（51倍）和cCuO NPs（42倍）。此外，在暴露于最高浓度gCuO NPs、CSP和cCuO NPs的植物中，产生了过量的O₂^.-（分别增加了4.48倍、3.22倍和1.75倍）和H₂O₂（分别增加了4.02倍、3.88倍和2.93倍）。此外，这些纳米颗粒还影响了叶绿体的完整性和蛋白质组成，导致光合作用效率下降。因此，总体结果表明，由于gCuO NPs对Cu离子的生物利用度更高，其毒性相对更强。

引言

由于各个领域对纳米颗粒的需求不断增加，全球纳米颗粒产业正在迅速发展。根据Barhoum等人的研究，2020年全球纳米技术市场的价值为422亿美元，预计到2026年将达到707亿美元（Barhoum等人，2022年）。主要生产的商业纳米颗粒包括石墨烯、富勒烯、碳纳米管、氧化铁、二氧化钛、氧化铝和氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）（Inshakova等人，2020年）。市场上有超过1800种基于纳米颗粒的产品；同时，处理厂也是纳米颗粒释放的主要来源（Bhattacharyya等人，2017年；Brar等人，2010年）。纳米颗粒在水中的缓慢但持续积累使其成为最令人关注的水污染物之一（El-Kalliny等人，2023年）。

根据IMARC集团（国际市场分析研究与咨询集团）的数据，2024年全球CuO NPs市场的价值为2.202亿美元，预计将以17.9%的复合年增长率增长，到2033年达到9.72亿美元（IMARC集团，2025年）。CuO NPs的应用范围涵盖了多个行业，包括电子、化工和医药行业，并且也被快速用于环境修复项目，如水净化，这使其成为潜在的水体污染源（Saleem等人，2024年）。同样，施用于农田的含Cu和CuO NPs的肥料和农药会进入地表水并最终渗透到地下水中（Ameh和Sayes，2019年）。目前，黑海沿岸的海水中也检测到了纳米颗粒的存在，其中CuO NPs的浓度范围为0.1至1.0 μg L^?1（Kuznetsova等人，2023年）。Ross和Knightes进行了一项基于模型的研究，预测了北卡罗来纳州Waccamaw湖在101年（2000-2101年）内CuO NPs和Cu²⁺离子的释放情况（Ross和Knightes，2022年）。模拟结果显示，到2101年，CuO NPs和Cu²⁺在湖底沉积物中的含量将分别增加4.85毫克/千克和1.27毫克/千克。此外，CuO NPs被认为是毒性最强的工程纳米材料，在不同浓度下对多种生物具有严重的毒性，例如斑马鱼胚胎（1.5 mg L^?1）、藻类（2.8 mg L^?1）、甲壳类动物（2.1 mg L^?1）、鱼类（100 mg L^?1）、细菌（200 mg L^{?1?1）（Aksakal和Ciltas，2019年；Bondarenko等人，2013年）。}

此外，众所周知，作为金属的Cu对植物生长和生理有严重的毒性影响，甚至会影响分子反应（Shabbir等人，2020年；Xu等人，2024a）。因此，预计CuO NPs也会对植物产生严重的毒性。先前的一项研究表明，高浓度的CuO NPs（1000 mg L^?1）会导致类囊体膜层叠结构破坏和扭曲，以及水稻植株的光磷酸化作用和生长参数下降（Da Costa等人，2020年）。同样，150 μg L^?1剂量的CuO NPs抑制了Spirodela polyrrhiza的生长，损伤了叶片和根部，并在叶绿体中诱导了过多的活性氧（ROS）积累（Yue等人，2018年）。Carex vulpina暴露于100 mg L^?1 CuO NPs后，表现出生长减缓、根部异常和叶绿素水平降低（Cyrusová等人，2017年）。多项研究还报告了Cu离子对植物生理、生化和分子过程的损害，包括Elodea nuttallii的生长抑制、大麦的营养和激素失衡，以及Ocimum basilicum的气孔形态扭曲和生物量及光合色素含量的减少（Regier等人，2015年；Abbasirad和Ghotbi-Ravandi，2025年；Kumar等人，2025年）。因此，CuO NPs的毒性主要归因于它们通过产生ROS在植物细胞内释放有毒的Cu²⁺，破坏金属阳离子的稳态，并取代酶的辅因子（Hou等人，2017年；Xu等人，2024b）。Song和Lee（2016年）的研究表明，浓度为50 mg L^?1的CuO NPs释放的Cu²⁺显著抑制了Lemna minor的生长，主要影响根部而非叶片。此外，这些颗粒通过食物链的传递可能直接影响人类的健康（Tangaa等人，2016年）。

尽管许多研究强调了CuO NPs对植物的毒性，但很少有研究关注这些纳米颗粒的合成路线对其影响。由于已知块状Cu本身具有毒性，其纳米颗粒形式的毒性仍是一个有争议的话题，因此需要更多关于其环境安全性的研究（Bondarenko等人，2013年）。在这方面，有研究表明，在低离子强度（IS）水中CuO NPs的溶解度增加，导致斑马鱼胚胎体内Cu的积累增加（Chao等人，2021年）。另一项研究指出，提高IS和Cu的价态可以进一步促进CuO NPs的沉淀和聚集（Peng等人，2017年）。此外，纳米颗粒可以在水生环境中通过阳光、天然有机物（NOM）和溶解有机物（DOM）的作用下自然合成（Yin等人，2012年）。其他水污染物，如表面活性剂，可以通过光还原过程加速纳米颗粒的形成（Li和Fu，2024年）。

目前，缺乏深入研究来探讨CuO NPs对水生植物的毒性，特别是比较绿色（gCuO NPs）和化学（cCuO NPs）合成纳米颗粒的毒性。由于绿色纳米颗粒可以在水体中自然合成（Singh等人，2024年），本研究提供了一个有趣的方法来比较不同纳米颗粒合成路线对植物的影响，以及块状Cu暴露的影响。因此，本研究旨在评估通过不同路线（绿色和化学方法）合成的CuO NPs和块状Cu（CuSO₄）对Azolla filiculoides植物生长和生理的影响。选择这种植物是因为它具有出色的重金属植物修复能力，并且被广泛用作生态毒理学研究的模式植物（Naghipour等人，2018年；Amare等人，2018年）。在本研究中，评估了暴露于合成纳米材料和块状Cu的植物的形态学、生理学和生化参数。为了了解其对光合作用装置的影响，还分析了叶绿素含量、希尔酶活性（Hill activity）、叶绿体数量以及分离出的叶绿体蛋白的SDS-PAGE。结果表明，gCuO NPs导致的Cu积累最多，其次是CSP，然后是cCuO NPs，这与光合作用效率下降、生物分子含量变化和ROS水平升高一致，从而阻碍了植物的自然生理和生化过程。

部分摘录

氧化铜纳米颗粒（gCuO NPs）的绿色合成

氧化铜纳米颗粒的绿色合成按照以下步骤进行，并稍作修改（Atiya等人，2021年）。首先，将10克Camellia sinensis叶片（当地可获得）切碎，浸泡在100毫升双蒸水中（dH₂O），并在85°C下加热30分钟。过滤后，将叶片提取物与0.3 M硫酸铜（CuSO₄ · 5H₂O）溶液按1:10的比例混合，并持续搅拌1小时。溶液混合物的颜色从蓝色变为翡翠绿色

绿色和化学合成氧化铜纳米颗粒的表征

通过一系列仪器评估方法对绿色和化学合成的氧化铜纳米颗粒（gCuO NPs和cCuO NPs）进行了表征，以验证其纯度和纳米级粒径。SEM图像（图2a和b i）和TEM图像（图2a和b ii）显示了gCuO NPs和cCuO NPs的球形结构。TEM图像的尺寸分布分析（图2a和b iii）进一步确认了gCuO NPs和cCuO NPs的平均粒径

纳米颗粒的表征

SEM和TEM图像显示，两种纳米颗粒均为球形，粒径范围分别为4.8至200纳米和12.26至48.93纳米。然而，由于表面吸附了水以及gCuO NPs表面存在K、Ca和Mg等元素，纳米颗粒的流体动力学粒径显著增大（Jiang等人，2009年）。此外，还观察到了gCuO NPs的流体动力学粒径

结论

本研究中使用了三种不同的基于Cu的处理方法（包括纳米颗粒和块状Cu），这些方法应用于Azolla filiculoides植物后，导致了植物毒性效应；然而，这些效应的严重程度各不相同。合成路线对毒性起着重要作用，因为gCuO NPs的毒性比cCuO NPs更强。尽管CuO NPs的毒性主要与Cu²⁺或Cu⁺离子的释放有关，但CuO NPs也可以直接进入植物系统

CRediT作者贡献声明

拉贾·高什（Raja Ghosh）：撰写原始草稿、软件开发、方法论设计、实验实施、数据分析、数据整理。普拉桑蒂·卡尔基多利（Prasanti Karkidoli）：撰写原始草稿、数据分析、正式分析。斯瓦伦杜·罗伊（Swarnendu Roy）：撰写、编辑、验证、监督、资源协调、方法论设计、概念构思。

资助

本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

第一作者感谢印度政府新德里大学拨款委员会提供的初级研究奖学金[参考编号：211610006899]。通讯作者感谢北孟加拉大学植物学系为这项工作提供的必要设施。作者还感谢DST-FIST设施（SR/FST/LS-I/2021/900）、北孟加拉大学植物学系和USIC-北孟加拉大学的支持