毛建越 趙樹蘭 多立安

摘 ? ?要：為探討氧化石墨烯（GO）對植物的毒性效應(yīng)，以高羊茅為試驗材料，通過盆栽法研究土壤中添加不同比例GO（1%、2%、3%）對高羊茅根系生長（根生物量和根體積）及生理（丙二醛含量、保護酶活性、可溶性蛋白含量和根系活力）的影響。結(jié)果表明：2%和3% GO對高羊茅根生物量、根體積具有明顯抑制作用;GO的添加提高了根系保護酶活性，增加了丙二醛含量，對高羊茅根系產(chǎn)生氧化脅迫損傷;根可溶性蛋白含量和根系活力隨著GO比例的增加呈下降趨勢，且在添加3%GO處理達到最小值。因此，添加比例高于2%的GO對高羊茅根系生長具有顯著的抑制作用。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯;高羊茅;生理特性;根系生長

中圖分類號：Q949.71+4.2; Q948.116 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.02.005

Effects of Graphene Oxide on Growth and Physiological Characteristics of Roots of Festuca arundinacea

MAO Jianyue，ZHAO Shulan，DUO Li'an

（Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance， College of Life Sciences， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In order to explore the toxic effects of graphene oxide （GO） on plants， F. arundinacea was used as the experimental material and the effects of different proportions of GO （1%， 2%， 3%） on the growth （biomass， root volume） and physiology （malonaldehyde， protective enzymes， soluble proteins， root vigor） of F. arundinacea roots were studied by pot method. The results showed that 2% and 3% GO significantly inhibited root biomass and volume of F. arundinacea. The addition of GO increased the activities of root protective enzymes and the contents of malondialdehyde， causing oxidative stress damage to the roots of F. arundinacea. Root soluble protein content and root activity decreased with the increase of GO ratio， and reached the minimum in the 3% GO treatment. Therefore， the addition of higher than 2% of GO inhibited root growth of F. arundinacea significantly.

Key words： graphene oxide; F. arundinacea; physiological characteristics; root growth

隨著納米科技的發(fā)展，碳納米材料的應(yīng)用越來越廣泛。碳納米材料包括納米碳管、納米碳纖維、富勒烯、石墨烯等多種類型[1]。氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）是石墨烯的功能化形式，屬于石墨烯的衍生物，其表面含有羥基、羧基和環(huán)氧基等含氧官能團[2]。除了具有石墨烯卓越的力學特性、熱性能、光性能等特性以外，GO的各種官能團還使其表現(xiàn)出親水性、陽離子吸附性、表面具大量活性位點等諸多獨特的物理化學性質(zhì)[3]。GO良好的性質(zhì)使其在生物醫(yī)學、水處理、能源存儲等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4]。在生產(chǎn)與應(yīng)用的過程中，氧化石墨烯不可避免地會釋放到環(huán)境中，進而增加了其破壞生態(tài)環(huán)境的風險。

GO對植物的影響隨植物種類、GO濃度、尺寸和處理時間等條件的不同而表現(xiàn)出不同的效應(yīng)。有些研究認為，GO對植物有著正面的積極作用，其親水特性和水傳輸特性可以促進菠菜和蔥的發(fā)芽和生長[5];GO具有極高的比表面積使得自身有著很強的吸附性，在低濃度下可以降低Cd2+對玉米生長的抑制作用[6]。但更多的研究發(fā)現(xiàn)，GO對植物具有負面作用。GO微小的粒徑可以使其容易進入植物細胞內(nèi)，破壞細胞結(jié)構(gòu)，誘導細胞內(nèi)產(chǎn)生過氧化損傷[7]。GO甚至可以通過影響油菜基因的表達來調(diào)控其激素分泌，從而降低了油菜根長度與質(zhì)量[8]。此外，GO也被發(fā)現(xiàn)可以放大砷對小麥的毒害作用[9]，降低藻類的葉綠素含量與細胞數(shù)量[10]。植物是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分和主要的初級生產(chǎn)者，其根系對生長發(fā)育具有重要作用，土壤中的污染物通過影響植物根系的生長而抑制地上生長，因此，通過研究GO對植物根系的影響來評估GO環(huán)境釋放對植物的危害具有重要意義。

本文通過研究土壤中添加GO對高羊茅（Festuca arundinacea）根系生長和生理特性的影響，探討GO對植物根系的毒性效應(yīng)，旨在為碳納米材料環(huán)境釋放的風險評估提供依據(jù)和參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用土壤為天津師范大學校園內(nèi)0～20 cm的表層土壤。土壤pH值7.45，含鹽量0.1%，有機質(zhì)4.68%，全氮0.22%，全鉀45.61%，有效磷22.03 mg·kg-1，飽和含水量0.56 mL·kg-1，容重0.87 g·cm-3。高羊茅種子購自江蘇省鹽城市震之越農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營部。GO購于蘇州恒球石墨烯科技有限公司，為褐黃色粉末，平均厚度3.4～7.0 nm，片層直徑10～50 μm，比表面積100～300 m2·g-1。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)GO的添加比例共設(shè)置4個處理：不添加GO（CK），添加1%、2%、3% GO。每個處理4次重復(fù)。選用直徑7 cm、高8 cm的塑料花盆，每盆裝入420 g土壤和一定比例的GO，混合均勻，每盆播種800粒高羊茅種子。植物為室內(nèi)栽培，培養(yǎng)期間保證水分供應(yīng)，使含水量保持在最大持水量的60%。光照為透入室內(nèi)的自然光，在培養(yǎng)過程中定期調(diào)換花盆位置，以確保每個花盆處于一致的光照條件下。培養(yǎng)期間的環(huán)境溫度為20～27 ℃，相對濕度為17%～54%。培養(yǎng)到120 d時收獲植物地下部分，并進行各項指標的測定。

1.3 測定項目及方法

地下生物量的測定：將地下部分用水清洗干凈并用濾紙吸取水分后，在108 ℃下殺青20 min，再于80 ℃下烘干至恒質(zhì)量后稱量。根系體積采用排水法測定。丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸氧化法[11]。過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[12]。過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性測定采用紫外分光光度法[13]。超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性測定采用氯化硝基四氮唑藍光化還原法[14]?？扇苄缘鞍诇y定采用考馬斯亮藍法[15]。根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

文中數(shù)據(jù)以“平均值±標準差”表示。采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并采用Tukey法，在P<0.05水平進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗，采用Origin繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 GO對高羊茅根生物量與根體積的影響

GO對高羊茅根生物量和根體積的影響如圖1所示，隨著GO濃度的增加，高羊茅的根生物量和根體積均呈下降趨勢。與對照相比，添加2%與3% GO處理的根生物量分別下降了14.78%和17.24%，差異顯著（P<0.05），添加1% GO處理略有下降但與對照差異不顯著（P>0.05）;添加2% 和3% GO處理的根體積分別下降了14.77%和18.33%，差異顯著（P<0.05）。

2.2 GO對高羊茅MDA含量與保護酶活性的影響

由圖2可知，隨GO比例增大，高羊茅根系丙二醛含量和過氧化物酶活性呈上升趨勢，而超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性呈先升高后降低的趨勢，分別在1%和2% GO處理達到最大值。與對照相比，3% GO處理丙二醛含量增加了50.13%，差異顯著（P<0.05），添加1%和2% GO處理分別增加27.72%和34.48%，但差異不顯著（P>0.05）;1%和2% GO處理超氧化物歧化酶活性分別增加了32.79%和18.80%，差異顯著（P<0.05），3% GO處理略有增加但與對照差異不顯著（P>0.05）;2%和3% GO處理過氧化物酶活性分別增加了49.30%和89.44%，差異顯著（P<0.05），1% GO處理略有增加但與對照差異不顯著（P>0.05）;1%和2% GO處理過氧化氫酶活性分別增加了48.30%和68.91%，差異顯著（P<0.05），3% GO處理略有增加但與對照差異不顯著（P>0.05）。

2.3 GO對高羊茅可溶性蛋白含量的影響

由圖3可知，1%和2% GO處理與對照差異不顯著（P>0.05），3% GO處理根可溶性蛋白含量較對照下降了14.98%，差異顯著（P<0.05）。

2.4 GO對高羊茅根系活力的影響

GO對高羊茅根系活力的影響如圖4所示，高羊茅的根系活力隨GO比例增大呈下降趨勢，1% GO處理較對照下降11.8%，但差異不顯著（P>0.05），2%和3% GO處理根系活力較對照分別下降了22.67%和28.18%，差異顯著（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

根系是植物吸收養(yǎng)分的主要器官之一，它可以為地上組織運輸水分和礦物質(zhì)。同時，地上部分合成有機質(zhì)并將其運輸?shù)礁?，促進植物根系的形態(tài)建成。根系越發(fā)達，植物可以吸收的營養(yǎng)越多，以滿足其自身的生長;根系越小，植物生長越慢[17]。根生物量與根體積是表征根系生長發(fā)育的重要指標。Chen等[7]研究表明，小麥可以通過根毛吸收GO，在高GO濃度下，小麥的根細胞受損。Hatami等[18]研究發(fā)現(xiàn)，丹參種子經(jīng)GO處理后，幼苗的分生組織根細胞中存在GO，根部形成規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu);50 mg·L-1 GO處理種子后會使丹參發(fā)芽延遲且發(fā)芽率減低，根和莖長，莖鮮質(zhì)量下降。Cheng等[8]研究發(fā)現(xiàn)25～100 mg·L-1 GO處理可縮短油菜根的長度，降低根鮮質(zhì)量。Shen等[19]研究發(fā)現(xiàn)50 mg·L-1 GO處理抑制了水稻的根部生長，并且影響了水稻的側(cè)根發(fā)育。本研究結(jié)果表明，與對照組相比，1% GO處理組高羊茅根生物量與根體積沒有影響，當GO比例大于2%時，其對于根系生長具明顯的抑制作用，與上述研究結(jié)果一致，即高濃度的GO處理，使植物根系生長受到顯著抑制。

在植物體中，SOD、POD、CAT等被認為是使細胞免受氧化脅迫的保護酶，增加這些酶的活性是植物抵御氧化脅迫的生理反應(yīng)[20]。MDA是反映細胞膜過氧化的重要生理指標[7]。Vochita等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，500～2 000 mg·L-1 GO處理小麥時，能表現(xiàn)出劑量效應(yīng)，500 mg·L-1 GO濃度時SOD、POD、CAT的活性達到最大值，在1 000和2 000 mg·L-1 GO濃度的酶活性降低。Li等[22]利用不同濃度（0.1，1和10 mg·L-1）的GO處理組織培養(yǎng)的蘋果根系，發(fā)現(xiàn)GO處理組增加了蘋果中SOD、POD、CAT的活性。Hatami等[18]研究也獲得相似結(jié)果，GO使得保護酶活性升高，MDA含量增高，進而產(chǎn)生氧化脅迫。本試驗結(jié)果表明，SOD和CAT活性呈先升后降趨勢，在1%和2% GO處理顯著增大;POD活性呈升高趨勢，2%和3% GO處理顯著升高;MDA也呈升高趨勢。MDA的增加表明植物的抗氧化系統(tǒng)不足以保護組織免受氧化損傷，膜脂過氧化誘導的細胞結(jié)構(gòu)和細胞功能損傷會導致營養(yǎng)狀況不平衡和植物生長異常。通過MDA含量與SOD、POD、CAT活性的變化可知，GO對植物的毒害作用主要是GO在植物中累積并產(chǎn)生氧化脅迫，進而使植物生長受到抑制。此外，膜脂過氧化還會進一步導致DNA斷裂，對植物產(chǎn)生遺傳水平的影響[23]。

蛋白質(zhì)作為植物生長中的關(guān)鍵物質(zhì)，在植物代謝調(diào)節(jié)中具有重要作用，也是作為生理生化特性的重要指標之一，植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平直接影響地上部的營養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平，根系活力就是一個表征植物根系的量。Gao等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當幼苗暴露于濃度大于20 mg·L-1的GO時，小麥根部微管蛋白濃度明顯受到抑制;GO具有表面效應(yīng)，進入根部對根部細胞造成損傷進而破壞，影響其可溶性蛋白含量。還有研究表明，GO通過影響脫落酸（ABA）和生長素IAA的生物合成和濃度，進而影響油菜根生長[8]。Shen等[19]也證明GO可以影響IAA含量以調(diào)節(jié)水稻根系生長。Xie等[24]研究發(fā)現(xiàn)GO和ABA顯著影響幼苗的形態(tài)特性和內(nèi)源性植物激素含量，ABA處理與GO聯(lián)合使用可使油菜根系活力迅速降低。本研究結(jié)果表明，與對照組相比，3% GO處理高羊茅可溶性蛋白顯著減少（P<0.05）;2%和3% GO處理根系活力顯著降低。

綜上所述，GO釋放到土壤后，通過影響高羊茅根保護酶活性使根系產(chǎn)生膜脂過氧化損傷;GO使高羊茅根系可溶性蛋白含量降低，并抑制根系活力進而影響高羊茅的代謝，GO脅迫最終表現(xiàn)在植物根系生長受到抑制，且其對高羊茅根系生長抑制具有劑量效應(yīng)。因此，應(yīng)注意GO環(huán)境釋放可能帶來新的污染與風險。

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