中国科学院武汉植物园杨玉义团队WR：微塑料和纳米塑料的示踪和捕获——水生植物的去除缓解潜力尚未开发?

微塑料和纳米塑料由于其在环境中的普遍性和目前未知的生态影响而引起人们的关注。利用最近开发的一种使用铕掺杂聚苯乙烯颗粒(PS-Eu)的方法，我们目前的工作旨在准确地追踪水生植物对微和纳米塑料的吸收和运输，并深入了解不同水生植物在捕获和去除水环境中塑料的潜力。将沉水植物、水生植物鸢尾和浮水植物的幼苗分别暴露含有100 nm和2 μm PS-Eu的淡水(5 μg/mL)或沉积物(5 μg/g)中培养8周。荧光成像表明，PS-Eu主要积聚在细胞间隙，通过胞外通路和维管束从根转运到叶。质谱分析表明，水生植物(主要是根部)捕获的纳米塑料最高可达6250 μg/g，其生物浓度因子为306.5，具体取决于暴露途径和植物种类。由于其优异的捕获能力和对塑料暴露的高耐受性，像凤头莲这样的漂浮植物有望固定和去除水中环境中的细塑料。

全球塑料聚合物的产量呈指数级增长，以满足人类日益增长的使用需求。尽管塑料的使用给人类生活带了诸多便利，但塑料废物的管理不善和处置不当正在加剧全球塑料污染。到2030年，即使在全球范围内努力减少和管理塑料废物，每年仍将有多达5300万公吨的塑料废物进入水环境(包括淡水和咸水)。 河流和湖泊将塑料废物从内陆深处带入海洋，使其成为海洋污染的主要来源 。

塑料在自然环境中通过物理化学过程发生不受控制的劣化和破碎，形成微塑料( < 5 mm )和纳米塑料( < 1 µ m)。由于采样和分析方法的限制，水环境中纳米塑料的实际浓度仍无法确定，但研究人员普遍认为，环境中的微塑料浓度可能高达百万分之一。这些塑料颗粒可以用和来运输携带大量危险化学品和病原体进入不同的水生环境，可能影响水生生物，从而威胁生态系统功能和服务。 考虑到它们在食物链中的麻烦，小塑料颗粒被认为是一个新兴的环境问题。

水生植物对微塑料和纳米塑料的吸收和生态效应的认识仍存在显著的知识空白。一些研究已经证明了水生植物捕获和过滤塑料的潜力。然而，塑料颗粒的定量分析，特别是在亚微米范围内，仍然具有挑战性。 与基于荧光的方法相比，金属掺杂塑料颗粒提供了一种有前途的定量工具来评估微量微塑料和纳米塑料的生物命运。 同时，镧系元素家族(如铕)的高光稳定性和低功率密度要求，使这些无背景的持久性荧光团成为成像目的的理想工具。

在这项研究中，利用掺铕聚苯乙烯(PS-Eu)，旨在量化三种典型的淡水植物对微塑料和纳米塑料的吸收和运输，选取苦草、鸢尾和凤眼莲分别代表水下植物、新兴植物和漂浮植物。假设不同水生植物的生长生境和根系结构影响它们对微纳米塑料的吸收和转运。为了模拟不同的环境条件，我们将缬草和鸢尾暴露在被PS-Eu污染的上覆水体或沉积物中，而石竹只暴露在被PS-Eu污染的水体中。经过8周的慢性暴露后，通过共聚焦激光扫描显微镜和扫描电镜成像验证PS-Eu在植物组织中的分布和转运。采用电感耦合等离子体质谱法准确测定了不同植物对PS-Eu颗粒的吸收。同时，研究不同暴露途径下各种水生植物对微纳米塑料的生长响应及其生物富集因子。

1、 水生植物对PS-Eu颗粒的吸收和分布

暴露于PS-Eu颗粒8周后，在紫外光激发下观察暴露的水生植物根和叶中PS-Eu颗粒的含量。与未显示荧光的对照组相比(图S2)，暴露于PS-Eu颗粒的植株的根和叶中出现了红色荧光(图2)。其中，凤眼莲的根和叶中的红色荧光强于苦草和鸢尾。对于苦草和鸢尾，在沉积物中添加PS-Eu颗粒时，根和叶的红色荧光比直接添加PS-Eu颗粒时更强。 同一植物根系的红色荧光一般强于叶片的荧光。 其中， PS-Eu颗粒主要分布在鸢尾表皮的细胞间隙和根部的维管束中，少量的PS-Eu颗粒分布在叶缘和叶脉中 。在苦草 根裂处检测到强烈的红色荧光，并通过外质体通道到达维管组织 。类似的结果也出现在了凤眼莲中。与100 nm PS-Eu颗粒不同，2 μm PS-Eu颗粒仅在植物根和叶片边缘观察到，表明水生植物对PS-Eu的吸收有限。

通过扫描电子显微镜(SEM)成像进一步验证了所测水生植物对PS-Eu颗粒的吸收。SEM图像证实，100 nm PS-Eu颗粒的积累主要局限于根的细胞壁间隙和维管束，在叶脉中也观察到一些颗粒(图3a-f)。2 μm PS-Eu颗粒只在纵向切割后的根部存在(图3g-i)。

2、 根和叶中PS-Eu颗粒浓度

制备了连续稀释的100 nm和2 μm PS-Eu颗粒，用于ICP-MS分析，以定量Eu浓度作为其质量的函数。Eu浓度随计算出的PS-Eu粒子质量的增加而线性增加。100 nm和2 μm PS-Eu颗粒中的Eu含量分别为2.0和1.5 wt%，每个100 nm和2 μm PS-Eu颗粒分别负载4.4 × 10 ⁴ 和2.1 × 10 ⁹ 个Eu螯合物。利用负载关系测定了不同水生植物叶片和根系样品中PS-Eu颗粒的质量和数量。

对照植物组织中未检测到Eu。随着暴露时间的延长，水生植物体内PS-Eu颗粒浓度逐渐升高(图4)。 暴露8周后，水生植物叶片和根系中纳米塑料浓度显著高于微塑料浓度。 对于沉水植物苦草和挺水植物鸢尾，沉积物污染处理导致植物组织中PS-Eu颗粒浓度(216.4~1519.7 μg/g)高于水污染处理(25.98~282.2 μg/g)(图4a-d)。而在水体污染处理中，浮水植物凤眼莲中PS-Eu颗粒浓度远高于挺水植物和沉水植物(图4e、f)。

3、 水生植物对PS-Eu粒子的富集和转运

5 μg/mL PS-Eu颗粒在水中暴露8周后，苦草、鸢尾和凤眼莲中纳米塑料的平均生物浓度因子(BCFs)分别为6.59、5.23和306.51(图5a)。在沉积物中加入PS-Eu颗粒时，计算得到的苦草和鸢尾的BCFs分别达到45.3和43.3(表S3)。微塑料的BCFs比纳米塑料低几个数量级(图5b)。PS-Eu颗粒的易位因子(TLFs)范围为0.048 ~ 0.245(图5c,d)。其中，凤眼莲中PS-Eu粒子的tlf值(0.236~0.245)明显高于苦草和鸢尾(0.048~0.187)。 在暴露结束时，水污染的微观环境中的生物积累量高于沉积物污染的微观环境(图5e-g)。

PS-Eu粒子用于准确定量不同种类水生植物中微塑料和纳米塑料的生物积累。微塑料和纳米塑料主要在水生植物的细胞间空间积累，并通过质外体路径和维管束从根输送到叶。三种植物中，凤眼莲对塑料颗粒的吸收能力最高。水生植物的根系中积累了大量亚微米塑料颗粒，其富集性能远高于已知的陆生植物。长期接触相对高浓度的塑料颗粒对水生植物的生长没有显著的不利影响，这表明在目前预测的环境浓度下，塑料颗粒的健康风险很低。水生植物吸收纳米塑料的独特优势和对纳米塑料的高耐受性显示了它们在淡水环境中修复纳米塑料的巨大潜力。在植物吸收实验中使用掺杂金属的塑料颗粒也能够可靠地筛选高效应用于减轻环境塑料污染的超蓄能器植物。