《Advanced Science》丨纳米塑料能在作物的果实中积累并影响其营养品质的分子机制

2022.10.28

2022年10月26日，浙江大学生命科学学院院长、浙江大学上海高等研究院院长周如鸿教授，浙江大学生命科学学院生物物理研究所所长田兵教授和浙江大学上海高等研究院戴商特聘副研究员应用长光辰英产品—P300共聚焦拉曼光谱仪在《Advanced Science》杂志上联合发表了题为“Evidence and Impacts of Nanoplastic Accumulation on Crop Grains”的论文，为了解纳米塑料进入粮食作物果实的途径及其对作物果实的影响机制提供了新的思路。

一、研究背景

塑料的过度使用既造成了全球性的资源浪费，也对海洋、湖泊和土壤等的生态安全造成了严重威胁，引发了人们对于纳米塑料从污染物中迁移至食物以及引发健康风险的担忧。前期研究已经发现了在太阳光辐射和生物降解等外界条件作用下环境中的塑料逐步分解成纳米塑料（1~100 nm）的途径。同时也有研究发现植物（包括粮食作物）的根系能吸收纳米塑料，并在根、茎、叶等部位累积，造成食物链的污染。然而，对于在纳米塑料污染的土壤中种植的粮食作物，纳米塑料能否最终进入其果实，以及纳米塑料对果实营养品质等的影响仍不清楚。因此，了解纳米塑料进入粮食作物果实的途径及其对作物果实的影响，对于阐明其对生态系统和人体健康的相关风险至关重要。

二、研究成果

图1 PS-NPs的拉曼光谱

图2 PS-NPs溶液（在实验室保存一年）、沉淀物和上清液的(A)荧光图像；PS-NPs溶液及其上清液的(B)拉曼光谱

如图1所示，在998 cm-¹处观察到了PS-NPs的 ʋ12 C-C-C环弯模式的强度，并在619、794、1028、1152、1454和1596 cm-¹处观察到了特征PS带，分别对应于ʋ6b径向伸环、ʋ1对称伸环、ʋ18a切向C-H弯曲、ʋ15、ʋ19b或 ʋ(CH2)和 ʋ12 C-C伸缩模式(图1)。此外，PS-NPs在储存一年后在水中稳定，没有荧光染料或添加剂释放(图2)。

图3 纳米塑料在花生和水稻果实中积累以及与果实细胞作用的分子机制

作者通过扫描电镜，激光共聚焦，拉曼光谱和傅里叶红外光谱等实验证明了聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs，80nm）分别能在常见作物花生和水稻的果实中积累。进一步，采用粗粒化分子动力学模拟研究了纳米塑料和植物细胞膜的相互作用，模拟发现PS纳米塑料在接近细胞膜时，会与膜磷脂存在较强的范德华相互作用，并进一步通过包裹内吞的方式进入膜内，从而揭示了纳米塑料进入果实细胞中的分子机制。

图4：纳米塑料对水稻和花生果实细胞中氨基酸稳态的影响

研究发现土壤中存在较高浓度的纳米塑料时（PS-80nm,250mg/kg），纳米塑料在果实中的积累能增加水稻的空壳率，进而影响结实率；同时也降低花生的平均粒重。此外，纳米塑料对作物果实的营养品质也有负面影响，如微量元素，不饱和脂肪酸和氨基酸不同水平的降低。通过转录分析发现，部分相关的合成转运蛋白的基因表达下调同时还发现纳米塑料对不同氨基酸的吸附存在差异可能也是导致果实中对应氨基酸含量降低的因素。通过全原子分子动力学模拟证实纳米塑料对氨基酸Met, Ile,Leu, Phe, Tyr, Lys, Arg 和 Pro具有较强的吸附作用。其中Phe、Tyr可以和纳米塑料的苯环形成π-π stacking的相互作用。而正电氨基酸Lys、Arg与纳米塑料也有较强的阳离子-π相互作用。通过实验和分子动力学模拟结合阐明了纳米塑料破坏作物果实中氨基酸稳态的机制。

三、结论

本文研究了聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)在农作物中的转运，包括花生(Arachim subgaea L.)和水稻(Oryza sativa L.)。结果表明，在成熟期PS-NPs从根部转运到籽粒中积累。PS-NPs(250 mg kg-¹)处理使水稻空壳数增加35.45%，结实率降低3.02%，花生平均粒重降低3.45%。此外，PS-NPs还会对营养品质产生不利影响，如降低矿物质元素、氨基酸和不饱和脂肪酸的含量。目前，这是在含有纳米塑料的土壤中种植作物的谷物中存在纳米塑料的第一份研究报告，结果突出了纳米塑料对作物谷物产量和营养质量的影响。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202202336