《International Journal of Phytoremediation》：Micro and nanoplastics as emerging stressors influencing plant metabolism and nutrient dynamics
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這篇前沿綜述系統(tǒng)探討了農(nóng)業(yè)土壤中微納米塑料（MNPs）的來源、其在植物體內的吸收轉運機制，并重點闡釋了MNPs如何通過誘導氧化應激、干擾土壤微生態(tài)與理化性質，進而影響植物的初級與次級代謝、養(yǎng)分分配及可食組織的營養(yǎng)品質，最終對作物生產(chǎn)力、食品安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性構成潛在威脅。
引言
全球每年塑料產(chǎn)量巨大且持續(xù)增長，由于極強的抗生物降解性，大量塑料廢棄物在環(huán)境中積累。在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，地膜、溫室覆蓋物、灌溉部件等塑料制品被廣泛應用，使農(nóng)田成為塑料殘留物的主要匯集地。這些塑料在物理、化學和生物過程作用下，會崩解形成從毫米到納米尺度的塑料顆粒，即微塑料（MPs，100 nm–5 mm）和納米塑料（NPs，<100 nm），合稱MNPs。納米級塑料已在農(nóng)業(yè)土壤中被檢測到，其對植物生長、土壤質量、食品安全和人類健康的影響引起了廣泛關注。
農(nóng)業(yè)土壤中MNPs的來源
MNPs通過多種途徑進入土壤并持續(xù)存在。其主要來源包括：
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農(nóng)膜殘留：廣泛使用的聚乙烯（PE）等地膜，在使用后破碎殘留于土壤，是農(nóng)田MNPs的重要來源。據(jù)估計，全球農(nóng)業(yè)土壤中可能含有高達660萬噸的微塑料。
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污水與污泥：將污水和污水處理后的污泥用于灌溉和施肥，會將大量MNPs帶入農(nóng)田。研究發(fā)現(xiàn)，污水處理廠污泥中MPs濃度很高，而未處理的污水灌溉會加劇污染。其中，來自衣物的丙烯酸、聚酯和聚乙烯纖維是最常見的MPs類型。
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大氣沉降：MNPs可通過風力作用從地表進入大氣，經(jīng)長距離傳輸后沉降到包括農(nóng)田在內的各種區(qū)域。城市地區(qū)的大氣MPs沉降通量通常高于農(nóng)村或偏遠地區(qū)，其中纖維占主導地位。
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垃圾填埋場：作為主要的塑料廢棄物處置場所，填埋場在多種物理化學應力作用下會產(chǎn)生大量的次生MNPs，其滲濾液也是MNPs和塑化劑等添加劑進入環(huán)境的重要途徑。
MNPs在植物中的進入與轉運途徑
研究表明，植物可以吸收MNPs。
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根部吸收：納米塑料（NPs）可通過根部的裂縫（尤其在側根發(fā)生部位）進入根組織，在細胞間隙積累并最終到達中央維管柱，隨后通過木質部轉運至莖、葉和果實等地上部分。根系分泌物和黏液形成的物理化學屏障可在一定程度上阻礙MNPs的直接接觸。微塑料（MPs）則大多被吸附或累積在根部，較少向地上部轉運。MNPs在根部的積累會堵塞細胞壁孔隙，阻礙水分和養(yǎng)分吸收，抑制植物生長，并誘導活性氧（ROS）積累，造成氧化應激。
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葉面吸收：大氣沉降的NPs可附著在葉片表面，并通過微小的角質層裂縫或氣孔進入植物體內。進入后，NPs可通過韌皮部轉運至生殖組織。研究表明，植物由于靜電吸引傾向于積累更多帶正電的聚苯乙烯納米塑料（PS-NPs），其對光合作用和抗氧化產(chǎn)物產(chǎn)生的抑制作用也更強。
對初級和次級代謝的改變
MNPs作為一種環(huán)境脅迫因子，會影響植物的生化途徑。這種代謝重編程通常始于細胞水平的氧化失衡、化學暴露或物理干擾相關的脅迫信號。MNPs暴露可誘導氧化應激、激素紊亂和與營養(yǎng)相關的代謝變化。
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初級代謝：MNPs可對植物造成細胞毒性、遺傳毒性和氧化損傷。例如，暴露于PS-NPs可導致水稻幼苗碳代謝上調，而暴露于聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）則導致草莓中與碳水化合物和脂質代謝相關的基因下調，脂肪酸代謝物顯著減少。聚丙烯（PP）、PE、聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等 MPs 會通過改變植物元素組成，破壞葉綠素合成和光合作用，從而抑制南瓜生長。
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次級代謝：MNPs也會干擾植物次級代謝。例如，PVC NPs 暴露會通過茉莉酸和水楊酸信號抑制蘿卜的苯丙烷生物合成。PS-MP暴露導致黃瓜葉片中關鍵苯丙烷代謝物（如咖啡酰奎尼酸）積累，但下調了相關合成基因的表達。在羽衣甘藍中，PE-MPs 觸發(fā)的ROS激增擾亂了次級代謝物合成和激素網(wǎng)絡。在高地大麥中，PS-MPs顯著改變了類黃酮、嘧啶、嘌呤、脂肪酸和苯丙烷的生物合成。
可食部分營養(yǎng)譜的變化
MNPs污染會通過改變宏量和微量營養(yǎng)素水平，以及促進有毒元素積累，破壞可食植物部分的營養(yǎng)成分構成，對食品安全和膳食質量構成威脅。
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碳水化合物：MNPs會降低葉綠素含量、氣孔導度和光合效率，減少CO2固定和碳水化合物合成。例如，暴露于混合MPs的番茄果實總糖含量比對照組下降了21.7%。MNPs誘導的氧化應激會破壞Rubisco等酶，進一步減少糖和淀粉的生物合成。此外，根孔物理性堵塞會限制水分和養(yǎng)分吸收。
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蛋白質：MNPs通過損害氮同化、改變養(yǎng)分吸收以及通過氧化應激誘導蛋白質組失衡來破壞可食植物中的蛋白質合成和積累。例如，在MNP污染的基質中生長的空心菜，其粗蛋白含量降低了10-25%。MNPs還會干擾土壤微生物群落，降低氮的存留和有效性。MNP暴露促進的ROS生成會導致核糖體結構氧化損傷和生物合成蛋白變性。
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脂質：MNPs會干擾植物脂質代謝，影響脂質的數(shù)量和質量。暴露于2 μm PS-MPs導致植物中某些脂肪酸生物合成代謝物比對照組減少64.9%。MNP暴露會增加氧化應激標志物（如脂質過氧化），降解膜脂質。例如，暴露于PE和PVC MPs 會增加大豆中的丙二醛（MDA）含量，這是脂質過氧化的關鍵指標。此外，MNPs還會改變脂肪酸組成，例如PS-MPs 會系統(tǒng)性降低小球藻中必需的亞麻酸（C18:3n-3）濃度，同時增加油酸（C18:1n-9）濃度。
環(huán)境與農(nóng)業(yè)影響
MNPs對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有廣泛影響。
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土壤性質與微生物：MNPs會改變土壤結構，降低保水能力，并破壞對養(yǎng)分循環(huán)和有機物分解至關重要的微生物群落。這會影響根系-土壤相互作用，限制植物對水分和養(yǎng)分的獲取。微生物介導的過程（如氮礦化和磷溶解）受到干擾，直接影響根際養(yǎng)分有效性。
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污染物載體：MNPs可作為重金屬、農(nóng)藥和抗生素等環(huán)境污染物的載體，這些污染物在根際解吸附會加劇土壤化學脅迫，損害微生物功能，增加植物毒性。植物可能因此經(jīng)歷MNPs和相關有毒物質的復合脅迫，導致有毒元素（如Cd、Ni）在可食組織中積累增加。
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作物生產(chǎn)力：長期暴露于MNPs會導致植物生物量減少、發(fā)育遲緩和果實產(chǎn)量下降。例如，PVC-MP 暴露使番茄果實產(chǎn)量降低了25%，并顯著降低了番茄紅素和可溶性糖等必需營養(yǎng)素的含量。
人類健康與監(jiān)管關切
MNPs主要通過攝入受污染的食物和水以及吸入空氣對人類構成潛在風險。攝入MNPs可能引發(fā)炎癥、氧化應激、組織損傷和腸道微生物群失調。作為載體，MNPs會將重金屬、添加劑和病原體帶入人體。附著在MNPs上的內分泌干擾化學物（如BPA）可能損害激素功能和生殖健康。慢性暴露于MNPs與代謝異常和慢性疾病的關聯(lián)日益受到關注。鑒于在可食水果和蔬菜中檢測到MNPs，人類膳食暴露風險引發(fā)擔憂，迫切需要制定監(jiān)管標準和可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐以減少污染。
結論與未來展望
當前證據(jù)表明，環(huán)境中的MNPs可能被植物吸收，干擾其初級和次級代謝過程，從而改變植物營養(yǎng)譜，引發(fā)對糧食安全及膳食暴露人類健康風險的關切。然而，現(xiàn)有知識大多源自實驗室研究，迫切需要實地尺度和長期研究，以在真實農(nóng)業(yè)環(huán)境下評估其生態(tài)相關性和影響程度。未來研究需聚焦于：開發(fā)現(xiàn)場條件下MNPs的長期效應評估、土壤和植物組織中MNPs標準化檢測方法、MNP老化與環(huán)境風化對其特性的影響、不同作物物種的響應差異、利用組學技術闡明毒性通路與植物抗性機制、評估MNP在作物中的生物累積及食物鏈傳遞風險，以及探究MNPs與農(nóng)用化學品及氣候脅迫因子的交互作用。
