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。
2022年10月17日，浙江大学上海高等研究院院长、浙江大学生命科学学院院长周如鸿教授，浙江大学生命科学学院田兵教授和浙江大学上海高等研究院戴商特聘副研究员合作在高影响力综合性期刊Advanced Science上发表了题为“Evidence and impacts of nanoplastic accumulation on crop grains”的研究论文（DOI: 10.1002/advs.202202336），首次发现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。
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1：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
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。
图2：纳米塑料对水稻和花生果实细胞中氨基酸稳态的影响
本工作由浙江大学生命科学学院、浙江大学定量生物中心、浙江大学海南研究院、浙江大学上海高等研究院联合完成，浙江大学海南研究院助理研究员蒋萌、生命科学学院博士生王斌强和物理学院博士生叶芮为论文的第一作者（并列），周如鸿教授、田兵教授和戴商特聘副研究员为本文通讯作者。研究成果是逆境生物学、计算生物学和纳米技术等研究领域的交叉成果，体现了多领域交叉研究的优势。这项工作得到了国家重点研发计划课题、中央高校基本科研专项资金、国家自主创新示范区上海张江重大专项、浙江大学上海高等研究院繁星科学基金等资助。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202202336
图文内容：浙江大学生物定量中心
今日编辑：徐 敏
