综述：种植农产品中的微 / 纳米塑料：行为过程、生物和非生物胁迫下的植物毒性及控制策略

《Journal of Nanobiotechnology》：Micro/Nanoplastics in plantation agricultural products: behavior process, phytotoxicity under biotic and abiotic stresses, and controlling strategies

该综述聚焦种植农产品中的微 / 纳米塑料（MPs/NPs），探讨其来源、危害及控制策略，为保障农产品安全提供参考。

　　

微 / 纳米塑料在种植农产品中的现状

随着塑料制品的广泛使用，微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）污染已成为全球性环境问题，对种植农产品的生长发育和营养品质构成威胁。MPs 通常指粒径小于 5mm 的塑料颗粒，NPs 则指粒径小于 100nm（或小于 1μm）的塑料颗粒，但目前 NPs 的国际定义尚未明确。MPs/NPs 在淡水、海洋、大气和农田等多种介质中广泛存在，近年来研究发现其可在种植农产品（如大麦、花生、水稻、草莓等）中富集和迁移，影响农产品质量安全，因此深入研究 MPs/NPs 在种植农产品中的行为过程、植物毒性及控制策略至关重要。

MPs/NPs 的来源

在农业生产中，塑料制品因其能提高作物产量、降低成本而被广泛应用。例如，塑料薄膜用于保温保湿，塑料管道用于灌溉和温室建设。然而，在紫外线辐射、机械磨损、化学氧化和生物降解等环境因素作用下，塑料废弃物会破碎形成 MPs/NPs。MPs/NPs 的主要类型包括聚丙烯腈（PAN）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚乳酸（PLA）等。它们可通过水、空气和土壤等途径污染农产品，主要来源有地膜、污水、堆肥、城市固体废物、农药包装材料等。

MPs/NPs 进入种植农产品的途径

1. 内吞作用：MPs/NPs 可通过内吞作用进入植物细胞，如花生、玉米、甘薯和水稻的根细胞。研究发现，PS-100nm 颗粒能附着在水稻根毛上，随后进入根的成熟区，而不是通过根冠吸收。颗粒大小是影响其运输的关键因素，较小的颗粒更容易进入植物细胞，对植物健康构成更大风险。目前，对内吞作用机制的研究仍处于起步阶段，未来需结合体内实验、细胞培养和动态示踪技术深入探究。
2. 质外体途径：质外体途径是 MPs/NPs 从根部进入植物的主要方式。多种种植农产品（如水稻、小麦、生菜、草莓等）通过该途径吸收 MPs/NPs。进入根部的 MPs/NPs 被黏液层捕获，在蒸腾拉力作用下通过质外体运输到植物组织，最终在根、茎、叶、果实和种子中积累。颗粒大小和表面功能基团等因素会影响其吸收和运输，例如，小于 1μm 的颗粒更易进入植物组织，PS-NH2?比 PS-COOH 更易进入小麦根组织细胞。
3. 裂缝进入模式：除了内吞作用和质外体途径，MPs/NPs 还可通过裂缝进入植物根部。植物细胞壁存在孔隙和细胞间连接丝，较大的颗粒虽无法通过细胞壁孔隙，但可通过根冠黏液进入细胞壁，并在细胞分裂和分离过程中进入中柱，随后通过蒸腾作用运输到地上部分。黄瓜、小麦、生菜等植物的侧根细胞可通过这种方式吸收 MPs/NPs，其粒径通常在 30 - 4800nm 范围内。
4. 叶片气孔：MPs/NPs 可通过叶片气孔进入叶组织，进而进入维管系统。大气沉降加速了 MPs/NPs 在植物叶片上的附着，研究观察到玉米叶片气孔可吸收带正电或负电的 PS-NPs，且 NPs 可通过维管束从叶片运输到根部，但随着时间推移会发生聚集，限制其向根系的移动。目前，对 MPs/NPs 在叶片上的沉积、吸收及在植物体内的移动和分布机制的研究有待加强。

MPs/NPs 对种植农产品的影响

1. 对种子萌发的影响：种子萌发是植物生命周期的关键阶段，MPs/NPs 对其影响因颗粒类型、浓度、老化程度、植物种类等因素而异。过多的 MPs/NPs 会阻碍种子气孔，限制养分和水分吸收，从而抑制种子萌发。例如，Bosker 等人发现 MPs 在 24h 内会积累在羽衣甘蓝种子表面，阻碍气孔，影响种子萌发；而 Lian 等人发现 PS-100nm 能促进种子吸水，提高种子活力。不同类型的 MPs/NPs 对种子萌发的影响不同，如 PVC 对香菜种子萌发的抑制作用比 PP 和 PLA 更强，PS、PP 和 PE 的小粒径颗粒会阻碍番茄种子萌发，而适量的 PS-NPs 可促进菘蓝种子萌发。
2. 对光合作用的影响：光合作用对植物至关重要，MPs/NPs 会干扰叶绿素生成，降低光合作用效率。研究表明，MPs/NPs 会减少电子传递，抑制 Cyt b₆f 和 NADP⁺还原酶的功能，从而影响光合作用。不同浓度的 MPs/NPs 对植物光合作用的影响不同，低浓度可能促进，高浓度则会抑制。例如，Liao 等人发现 PS-MPs 含量增加时，小麦叶片光合色素含量先升后降；Wang 等人发现 PS-NH2?对水稻光合作用和叶绿素浓度的降低作用比 PS 和 PS-COOH 更明显。此外，MPs/NPs 还会诱导气孔关闭，限制光合作用的气孔活动。
3. 对生长发育和代谢的影响：MPs/NPs 会导致植物形态变化，干扰和抑制植物生长和代谢，包括影响生物量积累、根和茎的伸长、根活力、叶片气孔、微量元素水平、能量代谢和氨基酸代谢等。Qi 等人研究发现，宏观和微观塑料残留物对小麦的地上和地下部分均有不利影响；Sridharan 等人发现 PLA 对香菜幼苗根长的负面影响比 PP 和 PVC 更大；同时，也有研究表明某些 MPs 对植物生长无显著影响。MPs/NPs 还会与生长介质相互作用，影响植物整体生长状态，如 Yang 等人发现土壤中的 MPs 会减少养分供应，降低白菜重量。
4. 对果实产量和营养品质的影响：MPs/NPs 会影响植物营养品质，随着时间推移在果实中富集，降低果实口感和风味。Meng 等人发现 BioMPs 会显著降低菜豆果实生物量，而 LDPE-MPs 无影响；Lian 等人发现 PS-NPs 会降低生菜干重、株高、叶面积、色素含量和必需氨基酸含量；Jiang 等人发现 PS-80nm 会增加水稻空壳数量，降低花生结实率和平均果仁重量，影响花生和水稻的微量元素平衡，降低营养品质。
5. 对氧化应激和抗氧化防御系统的影响：氧化应激是植物受到伤害的主要方式之一，MPs/NPs 诱导的毒性会导致氧化应激，破坏抗氧化酶系统，改变活性氧（ROS）水平，进而损伤细胞成分。植物通过产生抗氧化酶（如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等）和非酶抗氧化剂（如抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH））来应对 ROS 的危害。Wu 等人发现 PS 会诱导水稻氧化应激，改变代谢谱；Li 等人发现 PS-NPs 会影响黄瓜叶片抗氧化系统，且随着 PS-NPs 粒径增大，CAT 和 SOD 酶活性逐渐升高。
6. 诱导细胞毒性和基因毒性：MPs/NPs 会对植物产生细胞毒性和基因毒性，通过改变细胞核和染色体结构，抑制细胞周期和修复调节基因。氧化应激诱导的 MPs/NPs 会破坏细胞结构，包括细胞膜、细胞壁和 DNA 链。研究常用初级塑料微球进行暴露试验，但与自然环境中的二级塑料微球结果存在差异。例如，Giorgetti 等人发现即使在最低剂量下，PS-NPs 也会对植物根部分裂组织的细胞分裂和遗传物质产生有害影响；Pehlivan 等人发现 POD1 和 HSP1 是 MPs 暴露下玉米中 ROS 转化为基因转录表达的关键元素。

MPs/NPs 在生物和非生物胁迫下的作用

在生物和非生物胁迫下，MPs/NPs 可与其他胁迫因子（如盐碱胁迫、多环芳烃（PAHs）、重金属、抗生素、增塑剂、金属氧化物纳米颗粒、天然有机大分子化合物、入侵植物、灰霉病菌根际真菌等）相互作用，其相互作用可分为协同、拮抗和无效应三种类型。

1. 协同效应：MPs/NPs 与大多数胁迫因子共存时，主要表现为协同毒性效应，加剧对植物生长的危害。例如，Gao 等人发现 PE-MPs 和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）共同处理会降低生菜生长参数和光合作用参数，加剧 DBP 对生菜光合作用和根组织细胞的损伤；Wang 等人发现 MPs 和 Cd 的相互作用会改变玉米产量和根共生关系；Zhang 等人发现 PE 对黄瓜植株中 Cr 的积累和危害比 PA 和 PLA 更大。
2. 拮抗效应：MPs/NPs 与胁迫因子共暴露时，也会部分表现出拮抗效应，减少对植物的危害。例如，PS 可降低小麦幼苗中 ROS 的积累，减少 Cd 和 Cu 的积累；PE 和 PLA 可降低潮霉素对油菜的植物毒性；PS 可减少水稻植株中菲（Phe）的积累，缓解其对水稻生长的有害影响。
3. 无效应：MPs/NPs 与环境污染物的相互作用因 MPs/NPs 的特性和植物种类而异，非效应通常仅在某些生理生化指标上观察到。例如，Wang 等人发现 PLA、PVC 和 PE 对玉米和生菜中 Cd 的浓度无影响；Gu 等人发现新的和老化的 PVC-MPs 对 Cd 对小麦叶片的毒性无影响，但相关影响机制尚未有效研究。

减轻 MPs/NPs 有害影响的策略

1. 开发新型绿色可生物降解塑料：在农业生产中，大量工程设备和塑料薄膜由不可生物降解的聚合物制成，阻碍了可持续生态农业的发展。虽然有一些可生物降解的塑料薄膜，但部分存在生物累积和显著毒性问题。开发新型绿色可降解塑料有助于从源头上减少塑料污染，目前已报道可利用淀粉、植物和动物衍生蛋白、纤维素、壳聚糖、植物衍生生物质等制备新型绿色可降解塑料。
2. 植物提取和固定化：植物提取和固定化是减少 MPs/NPs 污染的生态可持续方法，关键在于选择能高度富集 MPs/NPs 的植物。水生植物如浮萍有吸收和富集 MPs/NPs 的潜力，但陆地植物对土壤中 MPs/NPs 的固定化能力尚不清楚。吸附的 MPs/NPs 可能与功能酶相互作用，转化为植物生物质碳或矿化为无机产物，但需要考虑塑料添加剂是否会被提取和固定，以及是否会对植物生长和代谢造成二次风险。
3. 外源植物生长调节剂干预：植物生长调节剂（PGRs）可调节植物对胁迫的耐受性，控制植物生长发育。目前，用于减轻 MPs/NPs 胁迫的外源 PGRs 主要包括油菜素内酯、独脚金内酯、吲哚 - 3 - 乙酸（IAA）、褪黑素（MT）、谷胱甘肽（GSH）等，但相关研究仍处于起步阶段。例如，Gao 等人发现 50nM 的油菜素内酯可抑制番茄果实中 PS-NPs 的积累，促进植物生长；Li 等人发现 MT 可减少 PS-NPs 在根部的吸收和转运，减轻其对植物的负面影响。
4. 多孔纳米材料调控：一些具有独特理化性质的多孔纳米材料（如生物炭、TiO2?、Fe2?O3?@GO、FeO 等）可促进植物生长，提高植物对 MPs/NPs 胁迫的抗性。生物炭可增强土壤酶活性、微生物多样性，促进养分循环，减轻 MPs/NPs 对植物的毒性；TiO2?可调节玉米的碳氮代谢，增强光合作用，减轻 PS-NPs 对玉米的生长抑制作用；Fe2?O3?@GO具有良好的抗氧化能力，能有效清除 ROS，消除 PS 对小麦发育的不利影响。
5. 生物催化和酶降解：生物催化和酶降解是去除 MPs/NPs 的安全绿色方法，多种真菌和细菌可利用自身氨基酸催化位点分解 MPs/NPs。微生物降解主要通过细胞内降解和细胞外降解两种机制进行，如芽孢杆菌（Bacillus gottheilii）可介导 PE、PET、PP 和 PS 的化学变化和键断裂，降低其生物利用度；固氮细菌可增强 MPs/NPs 的分解。根际微生物在 MPs/NPs 的催化降解中发挥重要作用，根际土壤中的细菌和真菌可降解 PLA 和 PET，根分泌物可为微生物提供营养，促进 MPs/NPs 的分解。

研究挑战与展望

尽管在 MPs/NPs 在农产品中的行为过程、植物毒性及控制策略方面取得了一些进展，但仍存在一系列问题和不足。未来研究应聚焦以下关键领域：开发精准的预处理和分析技术，准确检测和量化不同土壤环境和农产品中的 MPs/NPs；研究 MPs/NPs 在各种作物中的吸收、转运和结构影响，评估其对人类健康的风险；开展田间研究，考察 MPs/NPs 在老化过程中的相互作用和生态效应；探索植物激素和多孔纳米材料对 MPs/NPs 吸收和分布的调控作用；研究植物生长调节剂和多孔纳米材料减轻 MPs/NPs 协同植物毒性的潜力；利用基因工程培育抗 MPs/NPs 的作物品种；加强对 MPs/NPs 与根际微生物相互作用的研究，促进植物提取和固定化策略的应用；筛选和工程化具有高效生物催化降解能力的功能微生物，实现经济高效的根际修复。通过这些研究，有望全面揭示 MPs/NPs 的植物毒性及其相关机制，保障农产品质量安全。