聚苯乙烯纳米塑料在小麦不同结构层次的转运、毒性及其与菲的复合污染效应

作     者：王佳 

作者单位：南京农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：占新华

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：聚苯乙烯纳米塑料 小麦 内质化 毒性 菲 生物有效性 

摘      要：塑料制品巨大的产量及其环境积累量已引起人们高度关注其对生态系统的毒性效应。初生和次生纳米塑料在陆地生态系统的积累已成为公认的事实。纳米塑料独特的尺寸效应使其更容易被生物体/细胞吸收,造成有别于微塑料的毒性效应。另外,其更大的比表面积提供了更多的吸附点位,对环境中疏水性有机污染物（HOCs）有更高的吸附能力。然而,纳米塑料与HOCs单一/共暴露对陆地植物吸收和毒性的影响仍不清楚。为此,本文利用毒理学、植物学、植物生理学的手段和方法研究了不同特性聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）在小麦不同水平的转运、毒性效应,评价了其与HOCs共暴露对植物毒性和生物有效性的影响。4种PS-NPs分别是小粒径氨基修饰聚苯乙烯纳米塑料（S-PS-NH）,小粒径羧基修饰聚苯乙烯纳米塑料（S-PS-COOH）,大粒径氨基修饰聚苯乙烯纳米塑料（L-PS-NH）,大粒径羧基修饰聚苯乙烯纳米塑料（L-PS-COOH）。论文主要结果如下: （1）采用激光共聚焦显微镜对荧光标定PS-NPs在小麦根系、愈伤组织及原生质体中的吸收、转运进行研究,得到如下结论:大粒径PS-NPs只在根系表皮观察到,而粒径小于50 nm的颗粒能通过质外体途径向皮层、内皮层转运,S-PS-COOH向根系内部迁移的潜力更大,凯氏带能阻止其向中柱的进一步转运。细胞壁能屏蔽大粒径PS-NPs进入胞质,而小粒径PS-NPs能通过扩大孔隙或改变细胞壁结构在胞质中积累。在原生质体的质膜上发现了大粒径PS-NPs的非均质聚集,而透过质膜进入胞质的纳米塑料可以忽略。小粒径PS-NPs在愈伤组织和原生质体的内质化在0～1 h内具有时间依赖性。另外,表面官能团是影响吸附和内质化的又一重要因素,S-PS-NH较之S-PS-COOH由于静电相互作用具有更强的吸附力和更大的透膜能力。而在根系中表现出相反的趋势,可能是受根系分泌物的影响。 （2）将原生质体暴露于含不同特性PS-NPs的基质中,测定了细胞活力、活性氧（ROS）产生、细胞内含物外泄及凋亡这些常规细胞毒性指标,得出以下结论:4种PS-NPs抑制细胞活力的排序为S-PS-NHS-PS-COOHL-PS-NHL-PS-COOH。20mg L PS-NPs暴露1 h诱导了原生质体氧化应激和膜损伤,材料间表现出差异性。粒径越小且修饰氨基的颗粒通过与膜更强的相互作用和更高的内质化率造成更严重的损伤。胞内ROS的积累、胞外电导率和乳酸脱氢酶（LDH）含量的升高表现出一定的浓度和时间依赖性,这可能与PS-NPs的内质化量有关。S-PS-NH可造成更严重的细胞毒性在细胞凋亡检测中得到证实,S-PS-NH显著降低了活细胞比例,坏死细胞比例较之对照组提高了4倍。 （3）PS-NPs与菲单一/共暴露6天后,小麦幼苗生理生长的毒性结果表明:PS-NPs单污染一定程度降低了小麦幼苗地上部和地下部的长度和生物量,S-PS-NH表现出略大的植物生长毒性。与对照组相比,菲产生显著的生长毒性,PS-NPs与菲共暴露对生长的影响接近菲单独处理的毒性,S-PS-NH与菲共暴露对植物生长的影响略大。单/复合污染无差别地显著降低了老叶中叶绿素含量,新叶对材料特性更敏感,但复合污染较之单一污染没有显著性差异。根系丙二醛（MDA）含量结果说明菲造成了显著的根系质膜氧化损伤,PS-NPs的加入显著减轻了根系的损伤效应。PS-NPs对菲的吸附及生物有效性研究中,我们发现预平衡（12 h）导致了小粒径PS-NPs发生显著的团聚现象,屏蔽了吸附点位,降低了菲的吸附率。此外,表面官能团也是影响吸附能力的重要因素。PS-NPs降低了水培液中游离菲的含量,与单一菲污染相比,复合污染下菲的生物有效性显著降低。 综上所述,PS-NPs由于尺寸效应能进入植物组织和细胞,产生植物毒性和细胞毒性,其毒性效应与材料特性及环境行为有关。PS-NPs作为HOCs的载体改变了菲的生物利用度。本研究为纳米塑料与陆地植物的相互作用和毒性研究提供了科学依据,为纳米塑料单一污染或与HOCs共暴露下的农产品安全和品质评估提供了数据支撑。