典型人工纳米材料对水稻的植物毒性研究

发布时间：2017-09-03 12:12

  本文关键词：典型人工纳米材料对水稻的植物毒性研究

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【摘要】：人工纳米材料由于其独特的理化性能在催化剂、生物传感器、医药科学和电子工业等领域得到广泛应用。这些纳米材料在生产、回收和废弃处理等过程中不可避免地进入到生态环境中,对环境中的动植物产生毒性作用,并可能通过环境中的动植物进入食物链,对整个生态系统造成潜在的负面影响。尽管目前纳米材料的植物毒性和在植物体内的吸收积累时有报道,但是系统的研究比较几种典型的人工纳米材料对同一种植物的负面效应和吸收转运行为还需要补充和完善。本研究采用水培种植实验,通过研究多壁碳纳米管材料(MWCNTs)、氧化锌纳米颗粒(Zn ONPs)、硫化锌纳米颗粒(Zn SNPs)和氧化铜纳米颗粒(Cu ONPs)在浓度为10,50和100 mg/L时对水稻幼苗生长指数、氧化胁迫效应、生理功能、物质合成的影响,以及纳米材料在植物体内的吸收,揭示了典型人工纳米材料对水稻的植物毒性以及在植物体内的吸收行为。将水稻幼苗暴露在MWCNTs悬浮液中培养10 d后的实验结果表明,高浓度(100 mg/L)的MWCNTs使地上部分和根系鲜重分别降低至对照组的87.6±1.1%和69.2±7.8%。MWCNTs诱导水稻根系产生氧化应激反应和细胞膜损伤主要出现在高浓度处理组,其中,过氧化氢酶(CAT)活性由对照组的8.8±1.6 U/mg Prot(Protein,蛋白质)增加至16.3±2.8 U/mg Prot,丙二醛(MDA)含量由对照组的8.0±0.3μmol/g FW(fresh weight,鲜重)增加至15.1±1.4μmol/g FW。然而,水稻根系重要的生物酶活性在低浓度(10 mg/L)时就开始明显降低。通过透射电镜(TEM)观察发现,MWCNTs颗粒分布在水稻幼苗根系细胞内.从而证实了MWCNTs能被植物细胞吸收。对Zn ONPs、Zn SNPs和Cu ONPs在水中的团聚尺寸、Zeta电位和溶出金属离子的表征结果显示,Cu ONPs在水中的分散性和稳定性高于Zn ONPs和Zn SNPs。而Zn ONPs悬浮液中溶解的金属离子量高于Cu ONPs和Zn SNPs悬浮液,培养实验进行3 d后,三种人工纳米材料的悬浮液团聚尺寸均降低。毒性实验结果表明较高浓度(50和100 mg/L)的Zn ONPs和Cu ONPs能同时降低水稻地上部分和根系的鲜重/干重和长度等生长指数,阻碍水稻幼苗的正常生长,降低根系活力,增加根系中ROS和MDA的含量,提高POD的活性,降低根系活力和叶片中的叶绿素含量。其中,50和100 mg/L的Zn ONPs导致根系鲜重降低至对照组的47.3%和44.3%,100 mg/L的Zn ONPs和Cu ONPs使根系活力由对照组的710.4μg/g/h分别降低至150.0μg/g/h和481.9μg/g/h。Zn SNPs在实验设置浓度下体现了促进水稻生长的作用。例如,10 mg/L的Zn SNPs使地上部分鲜重增加到对照组的109.8%,100 mg/L时使根系活力提高到了对照组的2倍。水稻幼苗对Zn的选择性吸收和生物转运系数均高于Cu。本研究结果证明了人工纳米材料的植物毒性和吸收转运行为与纳米颗粒在水中的理化性质以及植物对不同毒物的反应程度有关。
【关键词】：人工纳米材料 水稻幼苗 植物毒性 氧化应激效应 吸收
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X171.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 纳米材料概述13-19
• 1.1.1 人工纳米材料的性质与应用现状14-16
• 1.1.2 人工纳米材料的环境行为16-19
• 1.2 人工纳米材料与植物的相互作用19-21
• 1.2.1 人工纳米材料的植物毒性效应19-21
• 1.2.2 人工纳米材料在植物体内的吸收、积累和转运21
• 1.3 本论文研究的内容和意义21-23
• 1.4 本论文研究的技术路线23-25
• 第2章 MWCNTs材料对水稻的毒性和吸收行为25-37
• 2.1 引言25-26
• 2.2 材料与方法26-28
• 2.2.1 MWCNTs悬浮液的制备和表征26
• 2.2.2 植物生长26-27
• 2.2.3 根系氧化应激反应27
• 2.2.4 细胞膜完整性检测27-28
• 2.2.5 根系活力和ATP酶的活性检测28
• 2.2.6 MWCNTs进入根系细胞的TEM表征28
• 2.2.7 数据分析28
• 2.3 结果与讨论28-35
• 2.3.1 MWCNTs的形貌表征28-29
• 2.3.2 MWCNTs对水稻幼苗生长指数的影响29-31
• 2.3.3 根系氧化应激反应31-32
• 2.3.4 细胞膜损伤状况32-33
• 2.3.5 MWCNTs对根系活力和ATP酶活性的影响33-34
• 2.3.6 MWCNTs在根系细胞中的TEM观察34-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 ZnONPs, ZnSNPs和CuONPs对水稻的毒性作用和吸收转运规律37-58
• 3.1 引言37-39
• 3.2 实验材料的准备与表征39-43
• 3.2.1 实验材料准备39
• 3.2.2 Hoagland培养液的配制39
• 3.2.3 纳米颗粒悬浮液的制备和表征39-40
• 3.2.4 水稻幼苗的培养40
• 3.2.5 水稻生长指标的测定40
• 3.2.6 水稻根系活力的测量40-41
• 3.2.7 水稻根系中ROS含量检测41
• 3.2.8 水稻根系POD活性检测41-42
• 3.2.9 水稻根系中MDA含量的测量42
• 3.2.10 水稻叶片中叶绿素含量的测量42
• 3.2.11 水稻体内Zn/Cu的测定42-43
• 3.2.12 Zn/Cu在水稻幼苗中的生物转运系数43
• 3.2.13 数据分析与处理43
• 3.3 结果与讨论43-56
• 3.3.1 三种人工纳米材料形貌表征43-45
• 3.3.2 三种人工纳米材料对水稻生长指数的影响45-48
• 3.3.3 三种人工纳米材料对水稻根系活力的影响48-49
• 3.3.4 三种人工纳米材料对水稻根系中ROS含量的影响49-51
• 3.3.5 三种人工纳米材料对水稻根系中POD活性的影响51-52
• 3.3.6 三种人工纳米材料对水稻根系中MDA含量的影响52-53
• 3.3.7 三种人工纳米材料对水稻叶片中叶绿素含量的影响53-54
• 3.3.8 Zn/Cu在水稻体内的吸收54-55
• 3.3.9 Zn/Cu在水稻体内的转运系数55-56
• 3.4 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-69
• 附录A 攻读学位期间发表论文69-70
• 致谢70

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