Nature : 叶片吸收促进植物对微塑料的富集
发布日期:2025-08-04 08:34:52
布鲁克纳米表面与量测部 李勇君博士

植物对污染物的吸收是污染物进入食物链的关键环节。尽管陆地微塑料(MPs)能被植物根系吸收,但其向上转移速度很慢。与此同时,大气中微塑料广泛存在,但此前一直缺乏有力证据表明植物能直接吸收大气中的微塑料。


近日,南开大学环境科学与工程学院联合其合作研究组,通过质谱检测等分析手段发现,植物叶片中普遍存在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚苯乙烯(PS)及低聚物,且其含量会随着大气中微塑料浓度升高以及叶片生长时间延长而增加。在像Dacron工厂和垃圾填埋场这类高污染区域,植物叶片中PET和PS浓度可达每克干重104ng。在露天种植的叶类蔬菜中,能检测到每克干重为102-103ng的PET和PS。该研究还运用原子力显微镜-红外光谱技术(AFM-IR),突破了环境样品中微/纳塑料的粒径尺寸限制和表征的研究瓶颈,检测出植物叶片中的纳米级PET, PS ,PA6(尼龙6)以及PVC(聚氯乙烯)颗粒。综合质谱、高光谱成像及AFM-IR等先进技术的研究结果表明,植物叶片吸收和积累大气微塑料的现象在环境中广泛存在,评估人类和其他生物对环境微塑料的暴露时,不应忽视这一点。研究还揭示了叶片内富集微塑料与大气微塑料的关联,并通过模拟暴露实验阐明了微塑料可通过叶片气孔吸收、经质外体途径进入维管束,且会在毛状体中积累的吸收和富集机制。


该研究成果以“Leaf absorption contributes to accumulation of microplastics in plants”为题,于 2025年4月9日发表在国际顶尖学术期刊《Nature》杂志上。




这项研究工作的主要发现
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01

植物叶片中微塑料的广泛存在


通过质谱检测发现植物叶片中广泛存在PET和PS及低聚物,且其含量随大气中浓度和叶片生长时间增加而增加。

02
植物叶片对微塑料的吸收与转运

玉米叶片可通过气孔吸收未标记、荧光标记或铕标记的塑料颗粒,并通过质外体途径转运至维管组织,最终在毛状体积累,这一过程被高光谱成像、共聚焦显微镜和激光消融电感耦合等离子体质谱所证实。

03
叶片吸收微塑料的途径

微塑料主要通过气孔进入叶片,这与气孔的大小和叶片的生理特性有关。研究表明,玉米叶片的气孔大小大于大气中大部分PET颗粒,为微塑料进入叶片提供了可能,且关闭气孔的调节剂脱落酸(ABA)处理会使叶片对PET聚合物的吸收效率降低。

04
微塑料在植物叶片中的积累规律

叶片中的微塑料含量与大气中微塑料的浓度呈正相关,叶片生长时间越长、越靠近外部的叶片,微塑料含量越高,表明植物叶片具有累积微塑料的能力。

05
微塑料对植物生理的影响

植物叶片吸收微塑料后,会引起植物生理特性的变化,如对基因表达、代谢产物等产生影响,进而可能影响植物的生长和发育。



AFM-IR技术对该工作的贡献

研究者们采用布鲁克公司原子力显微镜-红外光谱技术(AFM-IR),突破了环境样品中微/纳塑料的粒径尺寸限制和表征的研究瓶颈,检测了植物叶片中的PET,PS,PA6和PVC纳米颗粒。AFM-IR能够结合原子力显微镜的高空间分辨率和红外光谱的化学识别能力,可提供优于10nm空间分辨率,使研究者可以在纳米尺度上对叶片中的微塑料颗粒进行化学成分分析。从化学光谱中证实了叶片中存在的PET,PS,PA6和PVC等微纳塑料颗粒,为研究提供了直观且可靠的证据,这对识别和确认微/纳塑料颗粒的种类以及它们在叶片中的分布至关重要。



AFM-IR提供的实验数据




 PET纳米颗粒检测:

在Dacron工厂附近的植物叶片消化液中,AFM-IR检测到40nm左右的PET颗粒,通过AFM形貌(图1 c-1)和 1722 cm-1处AFM-IR红外成像图(图1 c-2)比较, 清晰可见红外吸收信号(紫色)明显强于周围基底。另外,通过对比PET纳米颗粒的AFM-IR光谱和其标准FT-IR光谱可以准确确认PET纳米颗粒的化学成分,该数据为叶片对大气中PET微塑料的吸收和累积提供了直接证据 。

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图1.  Dacron工厂植物(B. papyrifera)叶片中PET的检测(图片根据原文重新编辑)。(c-1) AFM形貌图 , (c-2) 1722cm-1处的AFM-IR红外成像图 ,(c-3)  AFM-IR 光谱 (红色代表叶片中 PET纳米颗粒),PET 纳米颗粒的FT-IR 光谱(蓝色)



 PS颗粒的检测:

在填埋场的植物叶片中,AFM-IR可观察到纳米级的PS颗粒,通过AFM形貌(图2 d-1)和 1600 cm-1处的AFM-IR红外成像图(图2 d-2)比较, 清晰可见红外吸收信号(红色)明显强于周围基底。另外,通过对比PS纳米颗粒的AFM-IR光谱和其标准FT-IR光谱可以准确确认PS纳米颗粒的化学成分,进一步证实了叶片对不同种类微塑料的吸收能力。

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图2. 垃圾填埋场植物(E. japonicus)叶片中PS, PA6和PVC检测(图片根据原文重新编辑)。(d-1)PS颗粒AFM形貌图 , (d-2) 1600 cm-1处的AFM-IR红外成像图 , (d-3)  AFM-IR 光谱 (红色代表叶片中PS纳米颗粒),PS纳米颗粒的FT-IR 光谱(蓝色), (e-1), PA6和PVC 混合颗粒AFM形貌图 , (e-2)  1720 cm-1处的AFM-IR红外成像图 ,(e-3)  AFM-IR 光谱 (蓝色),(e-4)  PA6 的 FT-IR 光谱, (e-5) PVC  的FT-IR 光谱



 混合塑料颗粒的检测:

在填埋场的植物叶片消化溶液中,AFM-IR观察到疑似PA6和PVC混合物的形貌(图2 e-1)和1720 cm-1处的AFM-IR红外成像图(图2 e-2),清晰可见红外吸收信号(红色)明显强于周围基底,通过对比混合物纳米颗粒的AFM-IR光谱和标准PA6 (图2 e-4)和 PVC (图2 e-5)FT-IR光谱可以准确确认该纳米颗粒为PA6和PVC的混合物,揭示了叶片中可能存在多种类型的混合微纳塑料颗粒。




布鲁克公司IconIR 型纳米红外系统为AFM-IR数据测量提供支持


研究作者们在致谢部分对布鲁克公司应用科学家魏琳琳博士提供AFM-IR数据测量致谢。


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布鲁克公司(Bruker)的大样品台纳米红外光谱(Dimension IconIR)平台,集成了基于峰值力轻敲模式的形貌、PeakForce QNM、PeakForce KPFM等电学、纳米力学测量、以及纳米红外成像(AFM-IR)等技术,可为环境、生态研究中微米塑料颗粒的形貌、纳米力学性质、电学性质和纳米尺度化学成分和官能团的分布测量提供强有力的表征工具和研究方法。


原文链接:

Li, Y., Zhang, J., Xu, L. et al. Leaf absorption contributes to accumulation of microplastics in plants. Nature, 641, 666–673 (2025).  https://doi.org/10.1038/s41586-025-0


Bruker IconIR纳米红外光谱介绍:

https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/infrared-and-raman/nanoscale-infrared-spectrometers/dimension-iconir.html

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