聚苯乙烯微塑料衍生的溶解有机物质可减轻砷对青藏裸大麦幼苗的毒性：表型学和转录组学证据

《Environmental Pollution》：Polystyrene microplastic-derived dissolved organic matter mitigates arsenic phytotoxicity in Tibetan hulless barley seedlings: phenotypic and transcriptomic evidence

青藏高原高砷与强紫外线协同胁迫下，UV光氧化老化后的聚苯乙烯微塑料衍生物（ASDOM）通过物理屏障与生物还原耦合机制，显著缓解砷诱导的大麦幼苗毒害，促进生物量增长20.11%和17.93%，并降低根部砷积累20.45%。分子机制揭示其通过增强抗氧化酶活性及苯丙烷类代谢途径强化细胞壁厚度，协同调控砷形态转化与细胞内富集。

　　

黄一才|杜亚婷|张壮|张雪|王坦坦|杨开华|李欣|张昌|马驰

湖南大学环境科学与工程学院，中国长沙410082

摘要

青藏高原具有较高的地源性砷（As）浓度和强烈的紫外线（UV）辐射。在这些条件下，紫外线会加速微塑料的老化以及微塑料衍生溶解有机物（MP-DOM）的释放，这对青藏裸大麦（Hordeum vulgare L. var. nudum）构成了现实的共同暴露风险。虽然微塑料颗粒的毒性已有充分研究，但MP-DOM的生态影响，尤其是来自紫外线老化的塑料的生态影响，仍知之甚少。本研究使用水培系统（50 μM As(V)，5 mg C/L MP-DOM），探讨了原始（SDOM）和紫外线老化（ASDOM）聚苯乙烯MP-DOM（PS-DOM）在砷胁迫下对大麦幼苗的影响。SDOM和ASDOM均减轻了砷引起的植物毒性，其中ASDOM的缓解效果更显著。值得注意的是，ASDOM使根部和茎部的生物量分别增加了20.11%和17.93%。这种恢复伴随着氧化应激的减轻（丙二醛（MDA）降低了26.71%）、抗氧化酶的恢复以及根部砷积累减少了20.45%。综合表型和转录组分析揭示了两种解毒机制：（1）物理化学排除作用，通过高分子量砷与生物诱导的细胞壁增厚（通过苯丙素生物合成）来限制砷的进入；（2）还原-隔离耦合，ASDOM促进的砷（V）还原为砷（III）的过程与谷胱甘肽S-转移酶的上调协同作用，从而实现隔离。总体而言，紫外线驱动的光氧化老化改变了PS-DOM的性质，使其能够积极调节青藏裸大麦的应激反应，为高海拔农业生态系统中MP-DOM和类金属物质共同暴露的区域风险评估提供了见解。

引言

微塑料（MPs，< 5 mm）已成为全球农业生态系统中普遍存在的人为污染物，来源于地膜分解、废水灌溉和大气沉降（Adhikari等人，2024；Dai等人，2025；Xu等人，2023）。虽然颗粒微塑料的物理毒性已有充分记录，但塑料污染的一个关键但未被充分认识的方面是环境风化过程中释放的溶解/胶体有机物（MP-DOM）（Dong等人，2022b；Tang等人，2022）。在环境压力下，塑料会发生光氧化降解，释放出一系列添加剂、寡聚物和氧化产物，统称为微塑料衍生溶解有机物（MP-DOM）（Lee等人，2021a；Zhang等人，2025）。与颗粒微塑料相比，MP-DOM通常更具移动性和反应性，能够影响土壤碳循环并化学调控共存土壤污染物的命运（Luo等人，2025；Shi等人，2024；Sun等人，2023）。然而，其在作物系统中的生态后果仍缺乏量化研究。

在青藏高原（QTP）等高海拔地区，MP-DOM与污染物的相互作用尤为值得关注。QTP常被称为“第三极”，但其环境已不再原始；最近的监测在其冰川、土壤和大气沉降物中检测到了微塑料污染（Wang等人，2022）。该地区以强烈的太阳紫外线（UV）辐射为特征，这会加速微塑料的老化，从而在微塑料与降水或融水接触时促进MP-DOM的释放（Dong等人，2021；Liu等人，2017；Song等人，2017）。同时，QTP面临地源性砷（As）污染的独特挑战。由于特定的地质背景和采矿活动，西藏农业土壤中的砷含量常常超过相关指导值（Li等人，2026；Zha等人，2024）。对于数百万人的主食——青藏裸大麦（Hordeum vulgare L. var. nudum）来说，这种共同暴露直接威胁到区域粮食安全（Xue等人，2020；Zeng等人，2018）。然而，MP-DOM如何影响这种独特高海拔农业生态系统中砷的植物毒性，其机制尚未得到研究。

MP-DOM可作为活性有机碳库，改变微生物代谢（Du-Carrée等人，2025；Romera-Castillo等人，2018），并可与重金属（类金属）发生相互作用，调控其形态、迁移性和毒性（Chang等人，2025；Y. Huang等人，2025；M. Zhang等人，2024）。例如，MP-DOM已被证明能驱动配位和氧化还原反应，如能够还原Ag⁺和Hg²⁺离子，并与Cu²⁺形成复合物（Chi等人，2025；Lee等人，2021b；Xing等人，2025）。此外，有限的研究指出MP-DOM对植物发育有负面影响，如抑制Arabidopsis thaliana种子萌发和抑制水稻幼苗生长（Chen等人，2025；Macan等人，2024）。尽管在作物（如水稻、小麦和大麦）中记录了颗粒微塑料与砷的相互作用，但MP-DOM的独特化学性质表明，不能简单从基于颗粒的研究中推断出其机制（Dong等人，2022a，2020；Nazir等人，2022；Saeed等人，2021；Zeng等人，2023）。具体来说，尚不清楚MP-DOM是加剧还是减轻砷引起的植物毒性，以及植物对这种复合胁迫的生理反应背后的转录机制是什么。

为填补这一空白，本研究探讨了来自原始聚苯乙烯微塑料（SDOM）和紫外线老化聚苯乙烯微塑料（ASDOM）的聚苯乙烯MP-DOM（PS-DOM）在砷胁迫下对青藏裸大麦幼苗的影响。通过结合PS-DOM的分子表征与植物表型和转录组分析，我们旨在：（1）表征紫外线老化引起的PS-DOM的分子变化；（2）确定PS-DOM对砷积累和大麦生长的调控作用；（3）阐明其背后的机制，特别是代谢和细胞壁强化的转录调控。这项工作提供了关于塑料渗出物如何在高海拔农业生态系统中调节植物-金属相互作用的机制证据，为全球紫外线强烈、地源性污染地区的污染风险评估提供了重要见解。

化学物质和材料

青藏裸大麦种子（Zangqing 2000）由中国西藏农业科学院提供。聚苯乙烯微塑料颗粒（PS-MPs，产品编号GP150，直径约50 μm，球形）购自中联塑料科技有限公司（中国）；根据制造商说明，该原材料不含任何有意添加的阻燃剂、增塑剂、色素或其他功能性添加剂。砷（As(V）以七水合亚砷酸钠的形式提供。

光学特性

紫外线-可见光谱显示，紫外线照射后ASDOM在200 – 400 nm波段的吸光度显著增加（图1A）。定量分析表明，ASDOM的SUVA₂₅₄值（0.410）和E₂₅₃/E₂₀₃比值（0.367）明显高于SDOM（分别为0.028和0.122），表明其芳香性和光氧化诱导的含氧功能团富集显著增强。EEM荧光光谱显示了不同的光谱特征：SDOM的光谱较为简单

向腐殖质类物质的分子转化及PS-DOM的营养评估

综合EEM-PARAFAC和FT-ICR-MS分析证实，紫外线老化从根本上改变了PS-DOM的化学性质。SDOM主要由简单的木质素/CRAM类、脂肪族类和脂质类结构组成（图1D，2C），这可能反映了未老化塑料基质中原始苯乙烯单体、二聚物或加工添加剂的释放（Kwon等人，2015）。相比之下，ASDOM表现出增强的芳香性（较高的SUVA₂₅₄和AI_mod）和分子复杂性

结论

总之，PS-DOM——尤其是ASDOM——通过物理化学和生物途径有效减轻了青藏裸大麦中的砷植物毒性。首先，PS-DOM限制了根部对砷的吸收；在细胞外，光老化渗出物将砷（V）还原为砷（III）并形成大分子有机复合物，同时诱导根部细胞壁增厚，形成物理屏障。其次，PS-DOM激活了内部防御机制。转录组分析揭示了

作者贡献声明

马驰：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。李欣：数据管理。张昌：撰写、审稿与编辑、可视化、监督、方法学、资金获取、概念构思。王坦坦：软件、方法学。杨开华：数据管理。张壮：可视化、数据管理。张雪：软件、方法学。黄一才：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件、方法学、研究、数据管理。

未引用参考文献

Huang等人，2025；Huang等人，2025；Liu等人，2024；Zhang等人，2024。

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。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：黄一才报告称设备、药物或供应品由中国西藏农业科学院提供。如果有其他作者，他们也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

本研究得到了第二次青藏高原科学考察与研究计划（STEP）（项目编号2019QZKK1003）和湖南省自然科学基金（项目编号2025JJ60244）的支持。我们衷心感谢西藏农牧科学院农业研究所的曾兴全教授提供的高原大麦种子。