中国科学院生态环境研究中心/中国农业大学ACS Nano|纳米塑料通过破坏豆科植物与根瘤菌的共生关系威胁着农田生态系统的可持续固氮

近年来，NPs污染对农业生态系统功能的潜在影响日益受到关注。研究团队以大豆（Glycine max）和根瘤菌共生体系为研究对象，选择20 nm和200 nm PS NPs作为模式污染物，分别构建单一和复合暴露体系，系统解析了不同粒径PS NPs对根瘤菌及共生固氮系统的影响机制。研究发现，两种粒径的PS NPs均能够被根瘤菌细胞和大豆根瘤有效摄取，并在根瘤菌细胞内表现出明显的协同摄取现象。进入根瘤的20 nm PS NPs对共生固氮表现出更强的毒性效应。在100 mg/kg暴露浓度下，20 nm PS NPs单一暴露显著抑制根瘤形成，根瘤数量和鲜重分别下降26.0%和50.4%；另外，20 nm PS NPs单一暴露使根瘤固氮酶活性下降51.3%，即使与200 nm PS NPs复合暴露，固氮酶活性仍下降28.6%，表明小尺寸PS NPs污染显著削弱了大豆的共生固氮能力。进一步研究发现，根瘤中豆血红蛋白含量降低64.9%，钼元素含量下降26.5%，导致固氮关键组分合成和营养供应受到严重限制。此外，20 nm PS NPs暴露还抑制了大豆生长，降低植株生物量和养分积累，进一步削弱了植物与根瘤菌之间的互惠共生关系。进一步的机制分析表明，20 nm PS NPs通过降低根瘤菌侵染效率，抑制结瘤和固氮相关基因表达，阻碍根瘤发育和功能维持，最终导致共生固氮体系受损。

研究结果表明，小粒径PS NPs对豆科植物—根瘤菌共生固氮体系构成了显著威胁。其毒性并非仅表现为对植物或微生物的单一损伤，而是通过进入根瘤菌和根瘤组织，干扰根瘤菌侵染、抑制根瘤形成、降低豆血红蛋白和关键营养元素积累、抑制结瘤和固氮相关基因表达等多重途径，最终导致生物固氮能力下降和农业生态系统氮循环功能受损。

研究表明，20 nm PS NPs对大豆—根瘤菌共生固氮具有显著的粒径和剂量效应。低剂量（10 mg/kg）20 nm PS NPs及其与200 nm颗粒的混合暴露，可提高费氏中华根瘤菌相对丰度，增强根系—根瘤菌互作与侵染，促进根瘤形成，并表现出毒物兴奋效应；高剂量（100 mg/kg）20 nm PS NPs则显著抑制根瘤形成和大豆生长，其毒性强于混合暴露及200 nm颗粒单独暴露。其作用可能与氧化应激、能量代谢紊乱和钼吸收受阻有关。总体而言，小粒径PS NPs呈低剂量促进、高剂量抑制的双相效应，可能威胁农业可持续固氮（图1）。

图1 PS NPs对大豆共生固氮和生长的影响。（a）PS NPs影响共生固氮的示意图。结瘤参数包括：（b）根瘤数量；（c）根瘤鲜重；（d）大根瘤（>2 mm）数量；（e）大根瘤鲜重。大豆生长参数包括：（f）根长；（g）株高；（h）根干重；（i）地上部干重；（j）100 mg/kg暴露剂量下根部NO₃⁻-N含量；（k）100 mg/kg暴露剂量下地上部NO₃⁻-N含量。20/200 nm处理表示20 nm和200 nm PS NPs按1∶1比例进行联合暴露。不同字母表示各处理间差异显著（P < 0.05）

土壤根瘤菌是大豆共生固氮的核心功能微生物，其群落结构和活性直接影响根瘤形成与固氮效率。研究发现，10 mg/kg的20 nm PS NPs显著改变根际固氮菌群落结构，虽未影响Chao1和ACE指数所反映的物种丰富度，却降低了Simpson和Shannon多样性指数。与此同时，20 nm PS NPs单独及与200 nm颗粒联合暴露，使费氏中华根瘤菌的相对丰度分别提高6.80倍和2.47倍。进一步研究表明，高浓度20 nm PS NPs可诱导根瘤菌活性氧积累，增加细胞膜通透性并造成膜损伤，而200 nm颗粒影响较弱。面对胁迫，根瘤菌通过增强运动能力、促进生物膜形成和分泌胞外聚合物（EPS）进行防御。三维荧光光谱显示，EPS中与色氨酸和芳香蛋白相关的荧光组分增强，同时胞外多糖分泌量显著增加，这有利于吸附并促进NPs聚集，形成保护性基质，减少细菌表面直接暴露。总体而言，小粒径PS NPs既可引起根瘤菌氧化应激和膜损伤，也会激活以EPS分泌为核心的适应性防御机制，从而提高根瘤菌对NPs胁迫的耐受能力（图2）。

图2 单独及联合暴露条件下根瘤菌对PS NPs的响应。（a）土壤固氮菌群落的主成分分析图；（b）相对丰度最高的15种固氮细菌；（c）PS NPs影响根瘤菌生理过程的示意图；（d）细胞内活性氧（ROS）产生水平；（e）细胞膜通透性；（f）胞外聚合物（EPS）分泌量；（g）EPS的三维激发—发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱；（h）100 mg/L PS NPs单独及联合暴露条件下EPS的扫描电子显微镜（SEM）图像。20/200 nm处理表示20 nm与200 nm PS NPs按1∶1比例联合暴露。不同字母表示各处理间差异显著（P < 0.05）。

进一步研究发现，根瘤菌在通过EPS分泌等机制增强对高浓度PS NPs耐受性的同时，也可能在侵染过程中充当PS NPs载体。掺Eu示踪结果显示，20 nm与200 nm PS NPs在细胞摄取中存在相互促进：20 nm颗粒促进200 nm颗粒内化，200 nm颗粒则增强20 nm颗粒在细胞壁上的吸附，混合暴露使胞内颗粒含量高于单一暴露。根瘤菌对200 nm颗粒的内化效率反而更高，主要因20 nm颗粒易聚集成较大团聚体，且EPS进一步促进其在细菌表面聚集。结果表明，多粒径NPs联合暴露可能通过根瘤菌运输进入根瘤，对豆科植物共生固氮构成独特风险（图3）。

图3 根瘤菌对PS NPs的摄取动力学。（a）PS NPs和掺铕PS纳米塑料（PS-Eu NPs）暴露实验设计示意图；（b–d）在PS-Eu200浓度保持为5 mg/L的条件下，随着20 nm PS NPs浓度由0增加至20 mg/L，根瘤菌对200 nm PS NPs（PS200）的吸附与吸收；（e–g）在PS-Eu20浓度保持为5 mg/L的条件下，随着200 nm PS NPs浓度由0增加至20 mg/L，根瘤菌对20 nm PS NPs（PS20）的吸附与吸收；（h）在PS NPs总质量浓度保持不变的条件下，PS-Eu200的吸附与吸收比较；（i）在PS NPs总质量浓度保持不变的条件下，PS-Eu20的吸附与吸收比较。空心柱表示为便于与相应单一暴露组比较而重复列出的数值。数据以平均值±标准差表示（n=3）。不同字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。

ICP-MS、高光谱及共聚焦成像证实，20 nm和200 nm PS NPs均可进入大豆根瘤并形成团聚体，二者积累量无显著差异，可能与20 nm颗粒诱导根瘤菌分泌EPS及其自身易团聚有关。PS NPs进入根瘤主要包括根瘤直接吸收、根—根瘤再分配及根瘤形成过程中被带入三条途径，其中根系向根瘤转运可能是主要通道。20 nm颗粒受生物屏障限制较弱，分布范围更广，并可能通过“裂隙进入”或借助根瘤菌载体进入发育中的根瘤。进入根瘤后，小粒径PS NPs可产生空间占位和氧化损伤，阻碍Mo向根瘤的运输，并降低豆血红蛋白含量，抑制类菌体形成和感染细胞发育。100 mg/kg的20 nm PS NPs使豆血红蛋白含量降低64.9%，固氮基因nifH表达下降56.75%，并显著下调GmNIN2A、GmNIN2b和GmNOD等结瘤基因，最终削弱固氮酶活性、减少植物氮素供应并加重大豆生长抑制（图4）。

图4 PS NPs进入根瘤的途径及其对共生固氮相关指标的影响。（a）大豆根瘤、根、茎和叶中PS-Eu NPs的含量；（b）根瘤中20 nm和200 nm PS-Eu NPs的高光谱图像；（c）PS NPs进入大豆根瘤三种途径的示意图；（d）根—根瘤共生体系中红色荧光PS NPs的共聚焦激光扫描显微镜图像；（e）固氮酶活性；（f）根瘤中钼（Mo）含量；（g）豆血红蛋白含量；（h）甲苯胺蓝染色的根瘤显微切片；（i）与根瘤形成和固氮相关的标志基因表达。20/200 nm表示20 nm和200 nm PS NPs按1∶1比例联合暴露。不同字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。

RNA-seq分析表明，不同粒径PS NPs对大豆根瘤基因表达具有明显差异。20 nm、20/200 nm混合和200 nm处理分别诱导178、361和375个差异表达基因。20 nm颗粒主要影响质膜功能、碳水化合物分解和植物激素信号；混合暴露更多扰动细胞壁构建与糖代谢；200 nm颗粒则主要激活防御和氧化还原响应，这可能是其差异基因较多但毒性较低的原因。20 nm颗粒显著下调碳代谢、脂质合成和质膜相关基因，削弱能量供应及共生信号识别；同时下调血红素结合相关基因，并抑制植物激素信号和氨基酸代谢相关过程，引发氧化还原失衡，影响豆血红蛋白合成、根瘤菌定殖和固氮酶活性。总体而言，小粒径PS NPs通过多重代谢和信号通路破坏大豆—根瘤菌共生固氮（图5）。

该研究构建了“NPs累积–根瘤菌侵染受阻–根瘤发育受损–共生固氮衰退”的多尺度作用框架，系统揭示了不同粒径PS NPs对豆科植物–根瘤菌共生固氮的粒径效应及其分子机制，为农业生态系统中纳塑料污染风险评估提供了重要理论依据。

谭志强，中国科学院生态环境研究中心研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。主要研究方向为微纳颗粒分析仪器研制与应用。先后在韩国延世大学，美国犹他大学以及麻省大学从事访学合作研究。在国内外学术期刊发表论文90余篇，参与编写中文专著5部，授权国家发明专利9项。主持国家自然科学基金5项及北京市自然科学基金1项，作为子课题负责人参与国家"973"，国家重点研发计划，国家自然科学基金专项等。担任《Atomic Spectroscopy》《Journal of Analysis and Testing》《中国无机分析化学》等学术刊物编委。兼任中国分析测试协会原子光谱分会常务委员，中国检验检测学会测试装备分会原子光谱应用与技术专家组副秘书长，中国仪器仪表学会原子光谱专业委员会委员。2017年入选中国科学院青年创新促进会，2018年获中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖，2019年获中国仪器仪表学会"朱良漪分析仪器创新奖"，2024年入选中国仪器仪表学会科学仪器托举计划优秀研发团队。

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芮玉奎，中国农业大学资源与环境学院教授、博士生导师。SCI 杂志《Plant Physiology and Biochemistry》、《Biocell》、《Scientific Reports》编委。主要研究方向：纳米肥料、纳米农药、纳米农业毒理学。曾主持国家自然科学基金、国家重点研发专项多项。近十年发表 SCI 论文230余篇，被引次数10000余次，其中 9 篇论文被web of science高被引文章。2023年入选世界10万顶尖科学家。主编教材一部、专著两部。授权发明专利2项并实现成功转化。获得北京市科学技术奖二等奖，2021年中国农业大学优秀博士论文指导教师，2022年优秀硕士论文指导教师，2024年北京市优秀博士学位论文指导教师。

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邢宝山，美国麻省大学（University of Massachusetts, USA）杰出终身教授，农学院院长，国际著名的环境化学家和环境土壤学家。邢老师的研究方向包括微塑料的检测、环境行为与生态风险、工程纳米材料的行为与应用、生物炭的环境与农业应用、食品安全等。他在Nature、Nature子刊、Chemical Reviews、PNAS、ES&T等高影响力期刊发表论文800余篇，其中200余篇发表于环境类顶级期刊ES&T。论文总引次数12万次， H-index 170。自2014年连续入选Web of Science高被引科学家（Highly Cited Researchers）以及其他重要国际奖项（www.uma- ss.edu/stockbridge/about/directory/baoshan-xing）。

通讯邮箱：bx@umass.edu

原文链接：Nanoplastics Pollution Threatens Sustainable Nitrogen Fixation in Agroecosystems by Disrupting Legume-Rhizobium Symbiosis

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c03667

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