功能化多壁碳纳米管对水稻发芽及苗期生理生化特性的影响研究

发布时间：2017-08-13 09:04

  本文关键词：功能化多壁碳纳米管对水稻发芽及苗期生理生化特性的影响研究

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【摘要】：随着纳米科技的快速发展,碳纳米管作为一种性质独特的新型材料,被广泛应用于许多领域,它们将不可避免地进入生态环境并引起生态风险。因此,近年纳米材料的环境风险和生态影响等生物安全性问题受到世界各国研究者的高度关注。碳管对生物的影响与碳管的理化性质关系密切,然而,目前关于不同理化性质碳管的生物效应研究还比较少,且多集中于细胞、藻类、动物等领域。本研究考虑了碳管的亲水性、水溶性、生物相容性等,用三种表面结构和理化性质有差异的多壁碳管(本真碳管,氧化碳管和PEG修饰碳管),较系统的比较了它们对农业作物水稻的胁迫效应。通过种子发芽和幼苗水培实验对比研究了碳管功能化前后对水稻发芽、幼苗生长及抗氧化系统酶活性、细胞损伤等的影响,并与三种碳管的形貌、结构等性质表征结果相结合,探讨了碳管对植物的生理生化特性影响的规律和机制,揭示了碳纳米材料环境风险和生态效应的影响因素。研究结果如下：1.由三种碳管表征结果可知,碳管修饰改性前后结构性质发生了较明显的变化,功能化碳管粒径更小、分散度更好、水溶性也更强。本真碳管呈缠绕状,长度较长,弯曲程度较大,结构完整；而改性处理后的碳管变得蓬松分散,碳管被截断,长度变短,表面变得光滑平整,管状结构遭到破坏,在水中有效粒径减小。红外光谱图表明氧化碳管表面出现了带负电荷的羧基基团(-COOH),其Zeta电位同时降低；PEG修饰碳管表面引入了酰氯基(-COC1)、羰基(-CO-)和羟基(-OH)等活性基团,但表面电位反而有所升高。三种碳管的有效粒径为PEG修饰碳管氧化碳管本真碳管；分散性和水溶性与之相反。2.种子发芽率测定结果发现,两种功能化碳管比非功能化碳管对水稻发芽率的抑制作用更强,抑制率由大到小依次为PEG修饰碳管氧化碳管本真碳管。功能化碳管由于表面引入了-COOH、-OH等亲水性基团,粒径较小、水溶性好,所以随着种子对水分的吸收,功能化碳管更易聚集在种皮孔上,堵塞种皮孔隙,阻碍种子对水分的吸收,从而抑制种子萌发。3.水稻幼苗生长及生理生化指标测定结果显示,功能化碳管使幼苗根冠比增大,同时比非功能化碳管对植物蛋白含量的抑制作用更强,对抗氧化系统酶如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性的影响更强,对根细胞的损害也更为严重。根的蛋白含量和抗氧化系统酶活性对PEG修饰碳管最为敏感,根细胞受损程度强弱依次为PEG修饰碳管氧化碳管本真碳管；冠部分对氧化碳管最敏感,受氧化损伤程度最大。功能化碳管由于粒径小,水溶性好,更易吸附在根的表面发生聚集甚至被根系摄入。随着水分和养分的运输,功能化碳管可以被转移至幼苗冠分,从而对幼苗冠造成与本真碳管相较更强的氧化胁迫损伤,使幼苗冠蛋白含量降低,脂质过氧化产物累积,细胞受损程度加大,最终导致幼苗冠生长的受阻程度高于根系,根冠比增大。综合来看,功能化碳管比非功能化碳管对水稻发芽及幼苗的生长的抑制作用更强,危害更大,表现为PEG修饰碳管氧化碳管本真碳管。结合这三种碳管的理化性质表征结果发现碳管对植物的生长影响与碳管的粒径、分散性、水溶性、官能团等表面结构和理化性质密切相关。粒径越小,分散性越好,水溶性越强的碳管对植物生长的影响越大。因此,探讨人工碳纳米材料的生态风险和环境效应时需结合考虑碳管自身的表面结构和理化性质的影响。
【关键词】：多壁碳纳米管 修饰改性 水稻幼苗 抗氧化系统酶活 细胞损伤
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S511;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 前言10-26
• 1.1 研究背景10
• 1.2 国内外研究现状10-22
• 1.2.1 纳米管的结构10-11
• 1.2.2 碳纳米管的性能及应用11-14
• 1.2.3 碳纳米管的修饰及性能改变14-17
• 1.2.4 碳纳米管的生态效应17-22
• 1.3 研究目的、意义及创新点22
• 1.3.1 研究目的与意义22
• 1.3.2 创新点22
• 1.4 研究内容22-23
• 1.5 研究思路和技术路线图23-24
• 1.6 数据统计与分析24-26
• 2 材料与方法26-35
• 2.1 试验材料26-28
• 2.1.1 材料26
• 2.1.2 主要试剂26-27
• 2.1.3 主要仪器设备27-28
• 2.2 多壁碳纳米管的纯化、修饰和结构表征28-30
• 2.2.1 多壁碳纳米管的纯化28
• 2.2.2 多壁碳纳米管的氧化修饰28
• 2.2.3 多壁碳纳米管的PEG修饰28-30
• 2.2.4 多壁碳纳米管的结构表征30
• 2.3 多壁碳纳米管对水稻发芽及苗期生理生化特性的影响研究30-35
• 2.3.1 实验前准备30-31
• 2.3.2 碳管暴露下水稻种子发芽及幼苗生物量实验31-32
• 2.3.3 水稻幼苗碳纳米管暴露实验32
• 2.3.4 水稻幼苗根离子泄漏的测定32-33
• 2.3.5 水稻幼苗根和叶生理生化指标的测定33-35
• 3 结果与分析35-52
• 3.1 多壁碳纳米管的结构表征35-43
• 3.1.1 TEM电镜图35-38
• 3.1.2 FT-IR表征结果38-40
• 3.1.3 Zeta电位40
• 3.1.4 粒度分布40-43
• 3.2 多壁碳纳米管对水稻发芽及苗期生理生化特性的影响研究43-52
• 3.2.1 多壁碳纳米管对水稻发芽和生长的影响43-45
• 3.2.2 多壁碳纳米管对水稻幼苗可溶性蛋白含量的影响45-46
• 3.2.3 多壁碳纳米管对水稻幼苗抗氧化系统酶活性的影响46-48
• 3.2.4 多壁碳纳米管对水稻幼苗的细胞损伤48-50
• 3.2.5 多壁碳纳米管对水稻幼苗的致毒机理50-52
• 4 结论与展望52-56
• 4.1 结论52-53
• 4.2 展望53-56
• 参考文献56-62
• 致谢62-63
• 攻读学位期间获奖及论文发表情况63

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