多环芳烃暴露与线粒体DNA拷贝数：氧化应激与炎症的相反作用

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Exposure and Mitochondrial DNA Copy Number: Opposing Roles of Oxidative Stress and Inflammation

纳米肥料的环境转化及其对植物铜代谢的影响表明，硫化处理增加Cu2?溶解并促进茎部积累，而蛋白冠形成增强根系吸附。双重转化可缓解毒性，揭示纳米颗粒形态转化与植物生理响应的关联，为环境风险评估提供依据。

　　

Miko?aj Feculak|Anna Ziarkowska|Houssame-Eddine Ahabchane|Kevin J. Wilkinson|Melanie Kah|Jason C. White|Izabela Jo?ko

波兰卢布林生命科学大学农业生物工程学院植物遗传学、育种与生物技术研究所，邮编20-950

摘要

铜缺乏和过量都会影响植物生长，这使得铜的施肥变得更加复杂，并引发了关于环境安全性的担忧。工程化的CuO纳米颗粒（ENPs）被提出作为替代的铜输送系统；然而，它们的益处和潜在危害在很大程度上取决于在环境中的转化过程。在这里，我们研究了化学（硫化）、生物（蛋白质冠层形成）和联合转化如何改变原始CuO ENPs（1-50 mg Cu L^-1）在Hordeum vulgare中的行为、生物利用度和对植物的影响。评估了植物中的铜积累、矿物质营养平衡、光合色素含量以及氧化应激标志物。原始和转化后的CuO ENPs都使根部的铜浓度增加了5-200倍，其中硫化作用降低了铜的吸收，而蛋白质冠层的形成则增强了铜的吸收。地上部分的铜积累量最高的是硫化CuO ENPs（比原始CuO高1.3-4倍），但仍明显低于离子铜。增强ENP溶解的转化过程导致了更严重的矿物质营养失衡，并使还原型谷胱甘肽水平升高（1.2-3.5倍），反映了金属压力的增加。相比之下，溶解度较低的ENPs更倾向于促进光合色素的积累和脂质过氧化（1.4-5倍），这表明其影响是间接的氧化反应，而非直接的毒性。重要的是，硫化CuO ENPs上的蛋白质冠层形成减弱了过量的Cu²⁺释放，并调节了纳米颗粒与植物之间的相互作用，从而减少了生理紊乱。总体而言，这些发现表明转化过程决定了CuO ENPs的生物利用度、植物反应及其潜在危害，强调了在纳米农业化学品的环境风险评估中纳入实际转化情景的必要性。

引言

植物的生长和发育在很大程度上依赖于微量营养素的可用性（Alloway, 2008）。铜是一种关键的微量营养素，它参与呼吸作用、光合作用、活性氧（ROS）的解毒以及细胞壁的木质化（Burkhead et al., 2009）。铜缺乏会损害植物功能，导致生长受阻、黄化以及生物量和产量的减少（Hunter et al., 2022b; Lilay et al., 2024）。相反，过量的铜具有植物毒性，会破坏营养平衡并促进ROS的产生（Li et al., 2023）。因此，维持适当的铜状态对于高效种植主要作物至关重要。由于集约化耕作和磷酸盐肥料的过度施用，农业土壤中常常缺乏铜，这会降低铜的生物利用度（Singh Dhaliwal et al., 2023）。此外，通过传统施肥提供的铜会因淋溶、径流或土壤吸附作用而大量流失，这也限制了植物对其的吸收（Amin and Aziz, 2025）。这些损失往往会导致铜的输入增加，从而增加植物毒性和环境污染的风险（Singh Dhaliwal et al., 2023）。

工程纳米颗粒（ENPs）被提出作为微量营养素的替代输送方式，以及保护植物免受病原体侵害的手段（Kah et al., 2019）。由于其微小的尺寸（<100 nm）、高比表面积和可调的化学性质，ENPs可以实现更可控的离子释放，并增强穿越生物屏障的能力（Ma et al., 2018）。因此，基于ENPs的制剂有可能实现可持续的铜输送，同时抑制病原体活性，从而减少营养损失并降低施用频率（Elmer White, 2018；然而，不同类型的ENPs在植物体内的积累模式可能有所不同。有研究表明，与溶解态铜相比，暴露于CuO ENPs后的水葫芦（Eichhornia crassipes）铜积累量更高（Zhao et al., 2017），而其他研究则显示暴露于溶解态铜后的铜积累量更高（Di et al., 2023）。在小白菜（Brassica rapa）中，不同品种间的铜积累量存在差异；铜的吸收在很大程度上不受CuO ENPs浓度（75-600 mg kg^-1 d.w.）的影响，而溶解态铜则会导致铜含量的剂量依赖性增加（Deng et al., 2020）。CuO ENPs倾向于吸附在根表面，这可能会影响测量的铜浓度，从而可能掩盖颗粒态和离子态铜暴露之间的差异（Nie et al., 2020）。

由于铜的形式、积累和定位的不同，ENPs与植物之间的相互作用会有所不同，因此需要考虑包括光合性能和氧化应激反应在内的生理终点（Burkhead et al., 2009; Wang and Grimm, 2021）。现有证据表明，低剂量的CuO ENPs可能提高光合效率，而高浓度则会产生抑制作用（Deng et al., 2020; Lilay et al., 2024）。CuO ENPs引起的氧化应激也是剂量依赖性的（Nair and Chung, 2015）。比较研究表明，Cu²⁺更能抑制光合作用（Jo?ko et al., 2024）并引发更强的氧化应激（Tang et al., 2016），同时CuO ENPs可能导致叶绿素含量显著降低（Deng et al., 2020）并引发更强的抗氧化反应（Jo?ko et al., 2024）。

ENPs行为的一个关键但常被忽视的方面是它们在复杂环境中的转化。这些转化过程可以改变ENPs的大小、形状、相组成和表面化学性质，从而影响其命运和生物相互作用（Feculak et al., 2025b）。在农业环境中，这种转化尤为重要，因为环境中可能存在许多能与ENPs反应的物质（Amin and Aziz, 2025）。作为纳米肥施用的CuO ENPs可能会被天然有机物或其他生物分子包裹，从而具有与原始CuO ENPs不同的性质。在土壤中——尤其是在根际——CuO ENPs可能会聚集和动态溶解，来自根系分泌物或微生物组的生物分子可以附着在其表面形成生物冠层（Feculak et al., 2025b）。值得注意的是，富含硫的污泥作为土壤改良剂使用时，可以促进硫化Cu O ENPs的形成，改变其形态和溶解行为（Abbas et al., 2020; Jo?ko and Oleszczuk, 2013）。尽管如此，迄今为止大多数植物研究仍关注原始CuO ENPs（Deng et al., 2020; Di et al., 2023）。因此，关于转化过程如何影响CuO ENPs向植物输送铜的能力（特别是在铜缺乏的情况下）仍存在关键的知识空白。

本研究旨在确定化学（硫化）、生物（生物冠层形成）和联合（硫化+生物冠层）转化对铜缺乏条件下生长的大麦（Hordeum vulgare）中铜输送的影响。大麦是一种广泛种植的谷物，在食品、饲料和酿造领域具有重要意义，且相对于其他谷物来说对铜缺乏更为敏感（Baik and Ullrich, 2008）。为此，我们量化了在水培条件下暴露于原始（p-）和转化（t-）CuO ENPs后的根部和地上部分的元素组成，并测定了一系列生理指标，包括光合色素含量和氧化应激标志物。我们假设CuO ENPs的硫化作用会增强铜的吸收并破坏植物的离子组成。由于硫化作用可以增加CuO ENPs的溶解度（Ma et al., 2014），它可能会通过增加Cu²⁺的可用性而提高毒性。相反，我们认为ENPs上的生物冠层形成会减少铜的积累并减轻由原始ENPs或Cu²⁺引起的应激反应，因为生物冠层被认为可以减轻氧化应激，从而提高CuO ENPs的安全性（Arya et al., 2022）。双重转化对CuO ENPs的影响将不同于单一转化。我们的最新研究发现，双重转化的CuO ENPs（特别是涂有蛋白质冠层的硫化颗粒）显著降低了Lepidium sativum中的急性植物毒性（Feculak et al., 2025a），这可能是由于蛋白质冠层减少了颗粒的吸收和Cu离子的释放，以及硫化作用增加了硫酸盐（SO₄^2-的可用性。总体而言，这项工作将有助于阐明转化对CuO ENPs与植物相互作用的影响机制，并支持安全有效纳米肥料的合理设计。

部分摘录

原始和转化后的CuO ENPs

原始（p-）CuO和氨基酸包覆的CuO（AA@CuO）ENPs购自US Research Nanomaterials, Inc.（美国）。这两种材料的颗粒形状均为球形，平均粒径分别为45.9 nm和49.7 nm。p-CuO ENPs分别按照Ma et al.（2013）和Spielman-Sun（2020）的方法进行了化学（硫化）和生物（蛋白质涂层）转化。我们还应用了双重转化方案，具体细节见我们之前的报告（

ζ电位和粒径分布

p-CuO ENPs在HGL溶液中的ζ电位为-20±0.3 mV（图1F），比美国材料与试验协会（ASTM）培养基中报告的值低55%，比Milli-Q?水中测得的值低150%（Feculak et al., 2025a）。HGL溶液的离子强度高于ASTM培养基和Milli-Q?水，而它们的pH值顺序为Milli-Q?水 < HGL < ASTM。考虑到pH值的增加通常会降低CuO ENPs的ζ电位，

结论

对t-CuO ENPs的分析表明，在铜缺乏条件下，与p-CuO ENPs和溶解态铜相比，相关的转化显著改变了铜向植物的输送。硫化作用增加了CuO ENPs的溶解度，从而增强了铜向地上部分的转运，尽管程度低于溶解态铜。相反，生物冠层的形成增强了CuO ENPs在根部的粘附。重要的是，植物的生理反应有所不同

CRediT作者贡献声明

Jason C. White：撰写 – 审稿与编辑。Melanie Kah：撰写 – 审稿与编辑。Izabela Jo?ko：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学研究、资金获取、概念构思。Anna Ziarkowska：实验研究。Miko?aj Feculak：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学研究、概念构思。Kevin J. Wilkinson：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究。Houssame-Eddine Ahabchane：方法学研究、实验研究

未引用的参考文献

Cakmak and Horst, 1991; Spielman-Sun et al., 2020.

数据可用性

本文的数据可在https://doi.org/10.5281/zenodo.18206071获取

利益冲突声明

作者声明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

本研究由波兰国家科学中心在OPUS项目（2021/43/B/NZ9/02857）的框架下资助。