作者:骆永明等 来源:《自然-纳米技术》 发布时间:2022/1/21 11:16:16
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植物体内微/纳塑料吸收转运的定量示踪方法

 

北京时间2022年1月21日0时,骆永明研究员领衔的中科学院南京土壤所与中国科学院烟台海岸带研究所研究团队在Nature Nanotechnology《自然-纳米技术》上发表了一篇题为“Quantitative tracing of uptake and transport of submicrometre plastics in crop plants using lanthanide chelates as a dual-functional tracer”的论文。

研究团队首次利用稀土配合物掺杂标记对亚微米级塑料颗粒在蔬菜、作物中的生物积累和转运进行了精确定量分析和时间分辨荧光成像。论文通讯作者是骆永明研究员;第一作者是骆永明、李连祯。

微/纳塑料污染具有潜在生态和人体健康风险,是目前高度关注的全球环境科学热点前沿问题。研究团队前期研究已证实亚微米甚至微米级塑料颗粒均可在农作物、蔬菜中吸收、积累和转运,并发现了植物吸收微/纳塑料颗粒的通道和机制(Nature Sustainability, 2020, 3: 929-937)。相关成果入选“中国生态环境十大科技进展”。值得注意的是小粒径微/纳塑料和碳基材料的自身性质决定了其在复杂环境和生物介质中的稳定、可靠、高灵敏定量追踪检测极具技术挑战性,是微/纳米研究亟待突破的国际性难题。受此技术瓶颈限制,尚无法对植物体中微塑料的积累量和向地上可食部的传输量进行精确量化分析。

基于荧光染料分子标记是对生物体中微/纳塑料颗粒进行荧光可视化示踪的一种常用手段。然而,现有的荧光标记方法存在其局限性,如生物组织自发荧光干扰和染料分子泄露导致研究假象。稀土金属有机荧光配合物荧光寿命较长(可达毫秒,普通荧光一般为纳秒),采用时间分辨技术收集荧光信号,可显著降低生物样品带来的背景荧光干扰。即使稀土配合物荧光标记物泄露或脱落,泄露或脱落的稀土配合物的荧光会被环境杂质淬灭,从而避免因荧光标记物脱落而产生伪荧光信号。此外,稀土配合物中含有的稀土元素在等离子体质谱仪(ICP-MS)分析中背景低、灵敏度较高。基于此特性,可将稀土作为元素标签用于微/纳标记塑料颗粒的ICP-MS精确定量分析,具有灵敏度高、分析速度快、选择性好的优势。因此,稀土配合物标记为解决上述问题提供了可能。

骆永明研究员团队选取稀土铕配合物Eu(TTA)3(噻吩甲酰三氟丙酮),通过溶胀法掺杂到200 nm聚苯乙烯微球(PS-Eu)内部(图1),利用稀土配合物的时间分辨荧光特性实现了对植物(小麦和生菜)中吸收积累的PS-Eu颗粒的准确可视化追踪(图2)。研究进一步通过ICP-MS检测蔬菜和作物体内的Eu含量,间接量化分析了生菜和小麦对PS-Eu颗粒的吸收和转运量。

图1:PS-Eu颗粒的高分辨透射电子显微镜(HAADF-STEM)照片。(a)及基于能谱的元素C (b), O (c), Eu (d), F (e) 和 S (f)分析;(g)PS-Eu单颗粒STEM图;(h)所示的线扫描元素分布图。

图2:PS-Eu颗粒(50mg/L)暴露六天后小麦和生菜根、茎、叶的明场、时间分辨荧光、稳态荧光成像图(B),A为空白对照组。

通过此方法,可对接近微/纳塑料环境浓度暴露下植物吸收积累量进行量化分析。在不同浓度PS-Eu颗粒(5-5000 μg/L)水培溶液处理下,PS-Eu塑料颗粒主要积累在作物和蔬菜的根部,根部微球的含量达到1.3~1494 mg/kg(小麦,图3a)和3.1~2220 mg/kg(生菜,图3b)。仅有少量的PS-Eu颗粒通过木质部导管被传输到地上部。比如,当PS-Eu浓度5000 μg/L时,只有<3%的塑料微球被传输到地上部。双子叶植物生菜较单子叶植物小麦更易吸收积累微塑料颗粒。此外,在砂质土壤中添加1 mg/kg和10 mg/kg PS-Eu 培养14天后,小麦和生菜根部平均生物富集因子(BCF)分别为1.8和2.9(图3c),表现出较强的根部富集能力。

图3:水培溶液(a和b)和土壤(c)中不同暴露浓度下的小麦和生菜地下部和地上部PS-Eu颗粒积累量。

基于稀土配合物掺杂标记的方法克服了微/纳塑料颗粒传统荧光标记方法存在的背景荧光干扰、染料易泄露、难以同时进行精确定量等缺点,为微/纳塑料颗粒在复杂生物介质中积累、传输和分布提供了一种崭新、简便、通用的研究方法。这将有助全面理解和认识微/纳塑料在生物体内的吸收过程与机制,也可为定量评估微/纳塑料的生态和食物链传递风险奠定方法学基础并提供科学依据。

该研究由中国科学院南京土壤研究所与中国科学院烟台海岸带研究所合作完成,相关论文于2022年1月20日发表在Nature Nanotechnology期刊。审稿专家评价这项工作“创新性地提出了一种使用稀土铕配合物对聚苯乙烯颗粒吸收进行量化和可视化的方法。”(The authors describe a novel and innovative way to quantify and visualize polystyrene particle uptake using europium chelate complexes)。论文被接受后,应Nature Portfolio Community邀请,骆永明研究员和李连祯副研究员为“Behind the Paper”专栏撰写了题为“Quantitative tracing of uptake and transport of submicrometre plastics in crop plants”的文章。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金面上项目和中国科学院前沿科学重点研究项目的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41565-021-01063-3

 
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