硫化镉纳米颗粒被广泛应用于光伏、玻璃等产品的制造，并在生产、使用和废弃处置过程中通过废水排放、环境沉降、污水灌溉等途径进入环境。由于该材料具有纳米颗粒生物效应、重金属镉毒性的双重毒性，可对陆生、水生植物产生毒害作用。然而，目前对于硫化镉纳米颗粒在植物体内的吸收、转运、积累以及由此产生的分子响应，仍缺乏系统认识。

针对这一科学问题，中国科学院烟台海岸带研究所水体与沉积物污染防治研究组（盛彦清研究员团队）选取水培菠菜和马齿苋为研究对象，系统开展了硫化镉纳米颗粒的植物毒性及其富集代谢研究，验证了二氧化硅纳米颗粒对硫化镉纳米颗粒植物毒性的缓解效能，并初步阐明了马齿苋用于硫化镉污染植物修复的可行性与应用前景。

研究结果表明，硫化镉纳米颗粒可被植物吸收并在体内发生组织转运，引发显著的生理和代谢紊乱，且植物物种差异和污染物暴露途径会显著改变植被的毒性响应特征。以水培菠菜为例， 叶面和根部暴露途径下，硫化镉纳米颗粒均会引起植株显著的生理代谢变化，其中根部暴露对植物生物量、株高、叶片结构及叶绿素含量的毒害影响更为显著。代谢组学分析显示，叶面和根部暴露分别导致74.48%和80.77%的体内代谢物显著改变，主要变化涉及碳水化合物、氨基酸及有机酸代谢。值得注意的是，代谢响应与暴露浓度并非正相关，在较低浓度的叶面硫化镉暴露胁迫下，菠菜启动的代谢重编程强度显著高于高浓度处理组，表明植物对工程纳米材料的响应具有显著的非线性特征，为精准阐释纳米材料的低剂量生态效应提供了新的实验依据。

图1. 硫化镉纳米颗粒与水培菠菜的相互作用

进一步研究发现，叶面喷施二氧化硅纳米颗粒可明显缓解硫化镉对菠菜的毒性效应。实验数据表明，二氧化硅纳米颗粒处理有效改善了植株生理状态，提高了菠菜的鲜重、干重和叶绿素含量。水培共暴露实验中，二氧化硅纳米颗粒可使镉积累量降低34.55%–40.72%，同时将相对叶绿素含量提高了170.09%。代谢组学分析证实，二氧化硅可显著缓解硫化镉引起的代谢紊乱：单一硫化镉纳米颗粒胁迫下，菠菜显著差异代谢物占比为74.69%，施加二氧化硅纳米颗粒调控后，该比例降至53.28%。机制分析表明，二氧化硅纳米颗粒能够调节氨基酸、碳水化合物、氧化磷酸化及硫代谢等过程，有效促进了硫化镉胁迫下的代谢平衡恢复。

图2.二氧化硅纳米颗粒对暴露于硫化镉纳米颗粒的菠菜的影响及解毒机制

图3.菠菜暴露于二氧化硅纳米颗粒后的代谢变化

与菠菜相比，水培马齿苋对硫化镉纳米颗粒和 Cd表现出较强的耐受性，其生长过程受到的抑制作用较小，但其根和芽中存在与纳米颗粒相关的聚集体，证明马齿苋可有效摄取环境中的硫化镉纳米颗粒。 生物富集数据显示，马齿苋对Cd 的生物累积因子达到 548.10，对硫化镉纳米颗粒的生物累积因子达到 499.66，且转运因子在较低浓度下超过 1。这些结果表明，马齿苋有很强的Cd积累和体内转运能力，是极具潜力的硫化镉污染环境修复植物资源。

图4.马齿苋的透射电子显微镜图像及植物体内潜在的摄取与积累机制

该系列研究阐明了硫化镉纳米颗粒对水培作物的生理和代谢影响机制，证实了这些颗粒能够被植物组织吸收并发生体内迁移。同时，研究提出了阻控减毒、植物修复两种潜在的污染应对策略：施用二氧化硅纳米颗粒，有效缓解硫化镉纳米颗粒对作物造成的胁迫；利用马齿苋强富集、高耐受性，开展硫化镉污染环境的高效植物修复。该研究成果完善了水培植物与工程纳米材料的互作机制理论，为水生态系统硫化物污染防治及生态修复工程应用的技术攻关提供了新思路。

相关论文：

Ullah, H., Wang, Z., Li, Z., Xu, H., Cheng, S. and Sheng, Y., 2026. Silicon dioxide nanoparticles mitigate cadmium sulfide phytotoxicity in spinach: a metabolomic and physiological investigation. Plant Biology.

Ullah, H., Wang, Z., Xu, W., Wang, W. and Sheng, Y., 2025. Cadmium sulfide nanoparticles may disrupt nitrogen and carbon metabolism in spinach (Spinacia oleracea L.) through different exposure pathways. Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 7, 741-752.

Ullah, H. and Sheng, Y., 2025. Cadmium sulfide (Cadmium sulfide) nanoparticles and Cd2+ accumulated by Portulaca oleracea L. using a hydroponic system: constructed wetland perspective. Ecotoxicology and Environmental Safety, 290, 117575.

Ullah, H., Sheng, Y., Wang, W., Wang, Z., Yang, H. and Dobbie, S., 2025. Application of SiO2 nanoparticles to address Cadmium sulfide NPs contamination in spinach. Plant Stress, 16, 100811.