生物炭作为缓解氧化铕纳米颗粒对玉米毒性的替代策略：改善水分状况、离子平衡、光合电子流以及抗氧化防御能力

《Environmental Research》：Biochar as an Alternative Strategy to Mitigate Europium Oxide Nanoparticle Toxicity in Maize: Improvements in Water Status, Ion Homeostasis, Photosynthetic Electron Flux, and Antioxidant Defense

研究Eu?O?纳米颗粒对玉米生理和生化影响，发现其显著抑制生长、光合作用及引发氧化应激。生物炭（1 g L?1）有效缓解毒性，降低Eu吸收，改善营养元素，恢复光合参数及抗氧化酶活性，证实生物炭可作为稀土纳米颗粒污染的环保修复剂。

　　

阿赫梅特·迪雷克（Ahmet Direk）|布斯拉·阿里坎-阿卜杜尔韦利（Busra Arikan-Abdulveli）|梅利克·巴尔奇（Melike Balci）|埃米尔汗·古尔坎（Emirhan Gurkan）|埃内斯·奥尔汉·古伦图尔克（Enes Orhan Gulenturk）|塞伊达·奥兹菲丹-科纳克奇（Ceyda Ozfidan-Konakci）|埃夫伦·伊尔迪兹图盖（Evren Yildiztugay）

塞尔丘克大学（Selcuk University），理学院，生物系，42130，科尼亚（Konya），土耳其（TURKEY）

摘要

氧化铕纳米颗粒（Eu₂O₃ NPs）在各种工业和生物医学应用中的使用日益增加，这引发了人们对它们在环境中的积累及其潜在植物毒性的担忧。本研究旨在探讨玉米（Zea mays L.）对Eu₂O₃纳米颗粒暴露的生理和生化反应，并评估生物炭在减轻纳米颗粒诱导的毒性方面的缓解作用。在水培条件下生长的玉米幼苗被暴露于Eu₂O₃应力下，同时添加或不添加生物炭，浓度分别为Eu₂O₃-NP200（200 μM）和Eu₂O₃-NP500（500 μM）。系统地分析了植物生长参数、光合作用性能、元素组成、氧化应激标志物和抗氧化防御机制。Eu₂O₃暴露显著降低了生长速率、水分含量、净光合作用速率、蒸腾速率和PSII光化学活性（F_v/F_m），同时显著增加了活性氧（ROS）和脂质过氧化的水平。元素分析证实植物组织中铕的积累增加，伴随着营养失衡。生物炭处理显著缓解了这些负面影响，通过减少铕的吸收、提高钾（K）、钙（Ca）和镁（Mg）的含量、恢复气体交换参数以及改善叶绿素荧光效率。此外，生物炭（剂量为1 g L^?1）显著减轻了氧化损伤，表现为H₂O₂减少了51%，TBARS水平降低了33%。酶活性测定显示，生物炭增强了SOD、CAT、POX、GST和APX的活性，并促进了AsA–GSH循环的调节，从而在应激条件下加强了抗氧化防御系统。总体而言，研究结果表明，生物炭的应用通过限制金属积累、提高光合作用能力和增强抗氧化活性，有效抵消了Eu₂O₃纳米颗粒对玉米的不良生理和生化影响。这些结果突显了生物炭作为一种有前景的环保改良剂，在受污染环境中减轻稀土元素纳米颗粒引起的植物毒性方面的潜力，有助于实现可持续的作物生产。

引言

稀土元素（REEs）包括镧系元素，共有17种元素，原子序数在57至71之间，以及钇（Yttrium）和钪（Scandium）（Liu & Chen, 2021）。在这些元素中，铕（Eu）属于轻稀土元素（LREEs），即镧系元素的前八种元素，在自然界中的含量比重稀土元素（HREEs）更多（Ashraf et al., 2022; Liu & Chen, 2021）。由于稀土元素的稀有性和供应量有限，它们被广泛应用于多个行业（Unsworth et al., 2020）。铕被用于LED屏幕（Singh et al., 2023）、荧光玻璃、智能手机光纤（Henriques et al., 2021）、癌症治疗（Batista et al., 2020）、安全文件中的防伪剂（Moudam & Lakbita, 2021）以及细胞成像（Moudam & Lakbita, 2021）等领域，还有许多其他应用正在被发现。

尽管铕是一种稀有元素，但由于其使用量的增加和回收率低，其在自然界中的浓度却在稳步上升。虽然铕污染的影响尚未完全了解，但这种上升的趋势仍然令人担忧（Migaszewski & Ga?uszka, 2014）。天然土壤中的铕浓度范围为0.1 mg至2 mg kg^-1（Jalali & Lebeau, 2021; Shtangeeva, 2022）。通常情况下，稀土元素在植物中的含量非常低，仅在某些超积累物种中较高，且被视为非必需元素（Grosjean et al., 2019）。铕主要在根部积累，叶片和地上部分的含量极少。然而，已有研究表明铕（III）可以转移到植物的地上部分（Jessat et al., 2023; Shtangeeva, 2014）。此外，当植物细胞与铕（III）离子相互作用时，能够吸收它们，大部分积累的铕（III）会定位于线粒体内（Gao et al., 2003）。

铕（III）离子的生化特性与钙（II）离子非常相似，因此它可以干扰细胞信号，包括与钙相关的途径，并通过阻断钙离子的通路来降低细胞内的钙（Ca²⁺浓度（Korotkov et al., 2023; L. Wu et al., 2023）。因此，铕污染可能导致植物出现多种问题。植物利用钙离子进行多种功能，尤其是应激耐受机制。例如，钙离子在植物中作为应激信号，并在过氧化氢酶（catalase）的帮助下激活抗氧化酶级联反应（Pirayesh et al., 2021）。为了应对铕污染，植物会采取多种机制，如产生木质素和纤维素等覆盖分子，或形成金属结合螯合物以将其从根系中排出（Alsherif et al., 2024）。

除了生物学作用外，铕在材料科学中也受到了关注，其独特的性质被用于合成各种纳米颗粒（Guler, 2025; Haladu et al., 2025）。氧化铕纳米颗粒（Eu₂O₃）作为一种特定形式的铕基纳米材料，因其独特的物理化学和荧光特性而受到科学界的广泛关注（L. Wu et al., 2023）。它们的纳米级形态增强了反应性、表面积和生物相互作用，使其区别于块状形式。Eu₂O₃被广泛应用于生物成像、光电子设备和靶向药物输送系统（Singh et al., 2023; L. Wu et al., 2023）。尽管具有这些优势，但关于这些纳米颗粒与植物系统的相互作用（包括吸收、转运及其对生理和生化过程的影响）的研究仍然有限（Paz et al., 2023）。鉴于Eu₂O₃纳米颗粒对植物系统的潜在风险，探索能够减轻其不良影响的环保土壤改良剂至关重要，其中生物炭被认为是一个有前景的候选者。

生物炭是一种富含碳的产品，由不同的有机来源制成（Wang & Wang, 2019）。生物炭的应用范围广泛，适用于各种环境。它在环境修复中发挥着多方面的作用，不仅作为各种污染物的吸附剂，还作为氧化等过程中的催化剂（Fu et al., 2025）。生物炭的阳离子交换能力能有效固定金属纳米颗粒及其释放的离子，从而降低其生物可利用性（Wang & Wang, 2019; Rajput et al., 2023）。这种多功能性对于改善整体土壤健康至关重要，因为它直接减轻了根区的植物毒性效应。除此之外，生物炭还能改善土壤的物理化学性质和生物性质（He et al., 2021）。生物炭应用的另一个方面是增加土壤中的微生物活性和多样性，以及硝化细菌的数量（Jiang et al., 2021）。此外，生物炭还能提高大豆幼苗在应激条件下的耐受性（Gullap et al., 2024），改善Triticum aestivum L.的水分利用效率和其他物理特性（Haider et al., 2020），并促进油菜籽中SOD、POX和CAT酶活性的调节（Khan et al., 2021）。生物炭通过与土壤湿度和固氮机制的相互作用影响植物（Han et al., 2024）。植物的应激反应受其元素组成的强烈影响（Shar et al., 2025）。不同元素对植物的影响各不相同，生物炭可以直接改变植物的元素组成。多项研究表明，生物炭的应用可以积极修改植物茎部和根部的元素组成（Dong et al., 2025; Sokolowski et al., 2025）。此外，生物炭还可以增强植物对养分和可溶性离子的吸收和利用（Yue et al., 2025）。虽然生物炭在水生系统中去除铕的研究已经进行了一段时间，但目前尚无证据表明其在调节植物生长、水分状态、光合作用效率和抗氧化防御方面的作用。

本研究选择玉米（Zea mays L.）作为模型作物，是因为它具有全球农业重要性、高营养需求以及对环境压力的敏感性，使其成为评估纳米颗粒诱导的毒性和缓解策略的理想物种（Van Nguyen et al., 2022）。本研究的主要目的是探讨生物炭（BC）在减轻氧化铕纳米颗粒（Eu₂O₃）应力中的作用，特别是关注不同剂量生物炭对玉米生长、水分状态、营养组成、光合作用性能和抗氧化酶活性的影响。核心假设是生物炭的应用可以通过改善植物生理特性、维持水分平衡、提高光合作用效率和激活抗氧化防御系统来缓解铕引起的植物毒性。

实验方法

实验中使用Hoagland营养液在水培系统下培养的玉米（Zea mays L.）幼苗，在实验时已有三周大。生物炭（粒径<500 μm）由synpet technologies（伊斯坦布尔，土耳其）提供。根据以往的研究，生物炭以两种浓度施用（bc1，1 g L^?1；BC2，3 g L^?1）（Hafez et al., 2020）。为确保适当的暴露而不造成根部机械损伤，固体生物炭被...

铕对生理参数的影响

生物炭的应用显著提高了单独使用生物炭和在压力条件下使用生物炭的相对生长速率（RGR）。在BC1处理（1 g L^-1）下，RGR增加了近三倍（p<0.05），与对照组相比。与BC1的趋势一致，BC2处理（3 g L^-1）也显著提高了RGR，增加了两倍多（123%）。在Eu₂O₃-NP200组（200 μM）和Eu₂O₃-NP500组中，RGR在压力条件下显著下降。

生物炭改善了受铕胁迫下玉米叶片的生理参数

研究表明，生物炭可以在多种胁迫条件下（包括干旱（Akhtar et al., 2015; Y. Wu et al., 2023; Zhang et al., 2020）、水分缺乏（Ghazouani et al., 2023）、热胁迫（Huang et al., 2021）、重金属毒性（Rizwan et al., 2018）等条件下改善植物健康。

结论

暴露于氧化铕（Eu₂O₃）纳米颗粒胁迫导致水分含量、相对生长速率降低，以及几乎所有光合作用参数的下降。具体来说，受胁迫的植物表现出较低的气体交换参数值，如净光合作用速率（A）、蒸腾速率（E）和光合作用效率（A/C_i），以及叶绿素荧光参数F_v/F_m、F_v/F₀和F₀/F_m的显著降低，与对照组相比。

CRediT作者贡献声明

埃内斯·奥尔汉·古伦图尔克（Enes Orhan Gulenturk）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。埃米尔汗·古尔坎（Emirhan Gurkan）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。梅利克·巴尔奇（Melike Balci）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。布斯拉·阿里坎-阿卜杜尔韦利（Busra Arikan-Abdulveli）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。埃夫伦·伊尔迪兹图盖（Evren Yildiztugay）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，

未引用参考文献

Elia et al., 2003; Koca et al., 2006; Korotkov et al., 2022; Lin et al., 2002; Ozgur et al., 2014; Wu et al., 2023; Yang et al., 2024.

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

数据可用性

作者无权分享数据。

资助

本工作得到了塞尔丘克大学科学研究项目协调办公室的支持（资助编号：24401227）。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

本工作得到了塞尔丘克大学科学研究项目协调办公室的支持（资助编号：24401227）。