关键词:
金纳米颗粒
辣椒
玉米
吸收与转运
抗氧化酶活性
氧化损伤
摘要:
近十几年来,人工纳米材料的应用日益广泛,这些纳米材料可通过各种途径进入环境中,并通过食物链的富集影响到人类健康,因此纳米材料的生物效应引起了人们的高度关注。越来越多的研究发现,纳米材料对微生物、水生动物和陆生动物会产生不利的影响,而关于纳米颗粒与植物相互作用的研究还很有限。植物作为自然界的生产者,是生态系统的重要组成部分,也是生物蓄积的起点,其生长发育和对纳米材料的富集会影响高营养级的生物,同时植物的代谢活动也会影响纳米材料在环境中的迁移转化。
为科学评估纳米材料对高等植物的影响,并初步探索高等植物对纳米材料性质的影响,本研究选用玉米(Zea mays L. sinensis Kulesh)和辣椒(Capsicum annuum L. var. grossum (Willd.) Sendtn.)为供试植物。对植物进行柠檬酸还原的金纳米颗粒(AuNPs, d≈13nm组氨酸包被的金纳米簇(AuNCs@His, d≤2nm)以及BSA包被的金纳米簇(AuNCs@BSA, d≤2nm)处理,在1/4的Hogland营养液条件下培养。主要实验结果如下:
1.金纳米颗粒对玉米生长的影响
三种金纳米颗粒处理对玉米种子的发芽率没有显著性影响;两种不同的金纳米簇(AuNCs)对水培条件下的玉米幼苗生长均有抑制作用,并且随着浓度的增大,为根长、株高、叶面积、生物量等呈下降趋势,但是仅20、40mg/L浓度AuNCs@BSA处理下的玉米根系生物量显著低于对照。
2.金纳米颗粒在玉米体内的分布与转运
三种金纳米材料处理下的玉米根系中均能检测到Au存在;但是只有在20、40m∥L浓度AuNCs@His处理下的玉米地上部分检测到Au存在,说明在玉米体内只有AuNCs@His发生了转移,而大粒径的AuNPs和另一种金纳米簇AuNCs@BSA在植物体内却不能发生转移。另一方面,随着培养时间的延长,植物对纳米材料的积累量有增加趋势,对玉米培养14天后发现,低浓度(1mg/L)的AuNCs@His处理下的玉米体内的Au含量比相同浓度的AuNCs@BSA处理和高浓度(20mg/L)的AuNCs@BSA处理时的Au含量高出7-15倍。
3.金纳米颗粒对玉米抗氧化酶活性的影响和氧化损伤
随着AuNCs@His处理浓度的增加,玉米体内CAT酶活性呈先上升后下降趋势,在20mg/L浓度时酶活性显著高于对照;而随着AuNCs@BSA处理浓度的增大,玉米地上部分CAT酶活性则呈上升趋势,在20、40mg/L浓度时显著高于对照。但三种金纳米材料对玉米地上部分POD、 SOD酶活性和MDA含量均无显著影响(除1、10mg/L浓度AuNCs@BSA处理下的SOD酶活性显著低于对照)。三种纳米材料对玉米根系CAT酶活性没有显著影响;但是三种纳米材料在各个浓度的处理下的根系POD酶活性和MDA含量都显著低于对照。
4.玉米生长介质中金纳米颗粒的性质
对比三种金纳米颗粒加入培养液前/后(7天)的荧光光谱/紫外吸收光谱,发现仅AuNCs@His的荧光强度未发生变化;其他两种材料均发生变化,说明这两种材料性质发生了改变。
5.金纳米颗粒对辣椒生长的影响
三种金纳米颗粒处理下,只有10、20mg/L浓度的AuNCs@His对辣椒的发芽率有抑制作用;随着AuNCs@His浓度的增大,辣椒株高、根长、根表面积、生物量等呈下降趋势(5、10、20mg/L浓度时株高、根表面积显著低于对照,5、10mg/L浓度时根长显著短于对照,地上生物量和根系生物量显著低于对照);AuNCs@BSA、 AuNPs对辣椒种子萌发和幼苗生长无显著抑制作用。
6.金纳米颗粒在辣椒体内的分布与转运
在植物对纳米材料的吸收方面,相同浓度(20mg/L)的三种金纳米材料处理下的辣椒根部均有Au检测出来,但仅在两种AuNCs处理下的辣椒地上部分发现有Au存在,说明小粒径的AuNCs可以在辣椒体内发生转移,而大粒径(约13nm)的AuNPs不能再辣椒体内发生转移。
7.金纳米颗粒对辣椒抗氧化酶活性的影响和氧化损伤
在生理生化方面,随着AuNCs@His处理浓度的增加,辣椒地上部分和根系中CAT、 POD、SOD酶活性和脂质过氧化物(MDA)含量均呈上升趋势,在10mg/L浓度时达到最大,且均显著高于对照(除根系中CAT酶活性与对照相比没有显著性差异);AuNCs@BSA各浓度对CAT、 POD酶活性没有显著影响;AuNPs对辣椒抗氧化酶活性和MDA含量均无显著影响。