生物炭对农作物中工程纳米颗粒的生物积累与毒性控制作用研究

发布时间：2020-06-19 21:54

【摘要】：近年来,基于纳米技术的产品在生活的各个领域都得到了广泛应用,从而在环境中释放出大量的工程纳米粒子(ENPs),使得生态系统安全存在潜在危险。ENPs与植物的相互作用会影响生态系统健康,此外,植物是陆地环境中的主要生产者,食用含有ENPs的植物或作物可以通过食物链将这些纳米污染物传递给人类。一些可持续和可再生物质可以固定ENPs,如生物炭。因此,通过使用生物炭来固定和降低ENPs在粮食作物中的生物利用率是非常重要的,目前生物炭已广泛应用于有机和无机污染物的修复。然而,关于生物炭与纳米污染物的相互作用却知之甚少。生物炭是一种富碳材料,通常将废弃生物质在惰性或缺氧条件下通过热化学转化制备获得。生物炭的益处包括但不限于:改善土壤物理化学特性以促进植物生长和提高经济作物产量、环境污染物修复、碳固定和作为清洁能源资源。在本研究中,在不同热解条件下制备生物炭,并使用一系列技术进行样品表征,如 SEM、Raman、XRF,FTIR、XPS、TGA、XRD、Brunauer-Emmett-Teller(BET)和元素分析仪。实验结果表明,在相对较高的温度(≥500℃C),较长的保留时间(90 min),较低的升温速率(1 ° C min-1)和气体流速(20 Sccm)条件下,由精细生物质颗粒(200目)制备得到的生物炭,更有利于固定和吸附环境污染物。更重要的是,本研究中将制备的生物炭用于ENPs的修复。将三种粮食作物:小麦(Triticum aestiivum L.)、水稻(OOryza sativa L.)和玉米(Zea may L.)置于含有不同浓度(0、100、200、500、1000和2000 mg L-1)的银(Ag),二氧化铈(CeO2)和二氧化钛(TiO2)ENPs的水培系统中培养,并设置添加和不添加生物炭(@2%w/v)这两组实验。在仅含有ENPs的实验组中,TEM-EDS结果表明ENPs以纳米形式被细胞摄取并出现在植物组织中,并且会扰乱植物的生长、光合作用和气体交换作用相关的生理学特性。相反,在含有生物炭的ENPs水培系统中,ICP-MS分析结果表明各元素在植物组织中的累积量显著降低了,而且生物炭减轻了 ENPs的光毒性效应。同时,生物炭还通过提高生物质产量、增加根茎长度以及同化大量和微量营养素来促进植物生长。生物化学和EPR的分析结果证实了纳米颗粒在植物中通过产生活性氧(ROS)(主要为超氧化物O2·-)从而导致氧化应激的致毒效应。此外,ENPs-生物炭复合物的XPS和FTIR测试结果揭示了生物炭中羧酸盐、羟基和表面含硫官能团对ENPs的固定作用。这些结果都表明,添加生物炭是抑制食品作物中ENPs的生物有效性和富集的一种有效方法,从而实现植物和生态系统的纳米安全。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X503.231
【图文】：

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本文编号：2721388