閆 慧，余顯顯，蔡林林，解丹丹，宋依萍

(許昌學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，河南 許昌 461000)

人工納米顆粒是指人工合成的組成相或晶粒結(jié)構(gòu)至少有一維尺寸在1～100 nm之間的微型顆粒，主要包括含碳納米顆粒物、單質(zhì)金屬納米顆粒物、金屬氧化物納米顆粒物及量子點(diǎn)等類型.與天然納米顆粒相比，人工納米顆粒具有粒徑均勻、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、成分固定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子工程、生物醫(yī)藥、材料科學(xué)和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域[1].人工納米顆粒被排放可能引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受到廣泛關(guān)注[2,3].人工納米顆?？梢詫Ω叩戎参锂a(chǎn)生毒性、抑制生物生長、造成機(jī)體損傷[4].其毒性機(jī)制是納米顆粒會(huì)引起生物的氧化應(yīng)激反應(yīng)和脂質(zhì)過氧化，降低抗氧化酶活性，導(dǎo)致細(xì)胞膜破壞和細(xì)胞死亡，而且毒性與納米材料的組成和形狀有關(guān)[5].人工納米顆粒還能夠在生物體內(nèi)發(fā)生富集[6-7]，已被列為新型環(huán)境污染物[8].目前人工納米顆粒對環(huán)境的影響研究多為實(shí)驗(yàn)室下針對水體環(huán)境的模擬研究[9].對實(shí)際土壤環(huán)境中人工納米顆粒環(huán)境行為及其毒性的研究卻較少.因此，通過土培實(shí)驗(yàn)，分析人工納米TiO2顆粒對玉米幼苗生物量、根系形態(tài)及抗氧化酶活性的影響，以期認(rèn)識土壤環(huán)境下人工納米TiO2顆粒的環(huán)境行為及其對作物的毒性.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米品種選擇綜合性好、抗病性強(qiáng)、區(qū)域種植較廣的宛玉868.選用許昌市城郊農(nóng)田土壤，挑出土壤中根莖、雜草、石礫等雜質(zhì)，用玻璃棒將人工納米TiO2顆粒按照6個(gè)濃度與土壤進(jìn)行充分混合，分別為0、100、500、1 000、2 000、4 000 mg/kg，置于背陰處靜置老化約一年，以使納米TiO2顆粒與土壤充分融合.將含人工納米TiO2顆粒的樣土放置于黑色塑膠花盆中，移至苗木培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室，澆透水后，每份樣土種下3粒籽粒飽滿、色澤均勻的玉米種子，控制溫度為恒溫25 ℃，光照為晝夜12 h/12 h.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

待玉米生長22 d后，將土壤和玉米幼苗一起浸入水中，待土壤脫落后取出完整的玉米幼苗，用蒸餾水洗凈后，用吸水紙吸干水分，分別稱其根和地上部分的鮮重.利用根系掃描儀分析玉米幼苗的根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)等根系形態(tài)參數(shù).根部和葉片中過氧化物酶(POD)利用愈創(chuàng)木酚法測定，丙二醛(MDA)含量利用硫代巴比妥酸法測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 人工納米TiO2對玉米幼苗生物鮮重的影響

圖1為不同濃度處理下玉米幼苗生物鮮重情況.可以看出土壤中添加TiO2，玉米幼苗生物鮮重顯著提高，玉米幼苗的生長受到了明顯的促進(jìn)作用，但根部和葉片存在差異.與空白相比，幼苗根部鮮重呈現(xiàn)升高變化，在1 000 mg/kg的TiO2樣土中生長的玉米幼苗的根部鮮重升高最大，是對照組的671%；而在2 000 mg/kg、4 000 mg/kg樣土中生長的玉米幼苗根部鮮重分別是對照組的400%和336%，表明土壤中人工納米TiO2顆粒在一定濃度范圍內(nèi)，可以促進(jìn)作物根部的生長.當(dāng)濃度過高時(shí)，促進(jìn)能力下降.這與文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果基本一致，即低濃度TiO2可以促進(jìn)種子萌發(fā)和植株生長，而高濃度TiO2會(huì)抑制植物生長.

圖1 人工納米TiO2對玉米幼苗鮮重的影響

玉米幼苗葉片鮮重則持續(xù)升高，表明人工納米TiO2顆粒對玉米幼苗葉片具有明顯的促進(jìn)作用，在1 000 mg/kg的TiO2樣土中生長的玉米葉片鮮重升高最大，是對照組的393%.其原因可能是TiO2納米顆?？梢蕴岣吣承┟傅幕钚?，促進(jìn)硝酸鹽的吸收和硝酸鹽向有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化[10].人工納米顆粒對植物葉片造成的傷害是通過根部傳遞到葉片的，所需時(shí)間與根相比會(huì)滯后[11].玉米幼苗根部和葉片在鮮重變化上的差異，可能也是由于根部率先接觸到納米材料，受其毒性作用影響比葉部要大[6].

2.2 人工納米TiO2對玉米幼苗根系形態(tài)的影響

表1為玉米幼苗根系形態(tài)的變化情況.隨著納米TiO2濃度的升高，除根直徑?jīng)]有變化外，根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)均為先升高后降低，根系形態(tài)數(shù)據(jù)的最高值在1 000 mg/kg濃度值.此時(shí)，根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)分別是對照組的488%、423%、378%和300%，表明人工納米TiO2顆粒在一定濃度下對根系生長有顯著促進(jìn)作用，而超過一定濃度界限后，TiO2對根系生長的促進(jìn)能力下降.其原因是鈦元素對植物生長具有激素效應(yīng)，并能將內(nèi)源激素向根部運(yùn)輸，促進(jìn)根系的生長[10].而且納米顆粒TiO2的植物毒性與自身特性有關(guān)，隨著TiO2濃度的升高，其對植株根系的根長、根表面積、根尖數(shù)的抑制作用增大[6].

表1 TiO2影響下玉米幼苗根系形態(tài)數(shù)據(jù)

2.3 人工納米TiO2對玉米幼苗抗氧化酶活性的影響

納米顆粒在接觸生物體時(shí)，細(xì)胞會(huì)生成大量的活性氧，使生物體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，這可能是納米材料生物毒性的機(jī)理之一[6].過氧化物酶(POD)能夠清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的H2O2，防止膜脂質(zhì)過氧化作用，因此，植物體內(nèi)POD活性的高低可表明植物體內(nèi)H2O2含量的高低以及植物是否處于氧化應(yīng)激態(tài).

圖2為人工納米TiO2對玉米根和葉片中POD酶活性的影響.對照組中由于根部樣品量過少，且沒有POD數(shù)據(jù).其他組中根的POD酶活性先升高后降低，在TiO2濃度為2 000 mg/kg時(shí)，根的POD酶活性達(dá)到最大.葉中POD酶活性先升高后降低，在TiO2濃度為500 mg/kg時(shí)，POD酶活性達(dá)到最高.高濃度組中根部和葉片的POD酶均顯著降低，說明高濃度下根部和葉片組織POD酶活性沒有被激活，這可能是由于植株已遭受嚴(yán)重氧化損傷.這也是在養(yǎng)殖觀察中發(fā)現(xiàn)高濃度組別植株葉片枯萎變黃的原因.

圖2 人工納米TiO2對玉米根和葉片中POD酶活性的影響

2.4 人工納米TiO2對玉米幼苗脂質(zhì)過氧化的影響

當(dāng)植物遭受嚴(yán)重的氧化脅迫時(shí)，植物體內(nèi)的活性氧會(huì)不斷累積.當(dāng)超過抗氧化系統(tǒng)的清除能力時(shí)，導(dǎo)致植物體內(nèi)細(xì)胞膜發(fā)生膜脂質(zhì)過氧化，使體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物含量增加，如二烯軛合物、脂類過氧化物、丙二醛、乙烷等，而丙二醛(MDA)是這一過程最重要的產(chǎn)物之一[1].因此可通過測定MDA含量了解植物遭受氧化脅迫作用的程度.

圖3為人工納米TiO2對玉米根和葉片中MDA含量的影響.總體來說，根部和葉片中MDA的含量與空白相比,各組別間的變化均不大.但在高濃度組別中MDA含量在升高，尤其是在葉片中更為明顯，在2 000、4 000 mg/kg樣土中生長的玉米幼苗葉片MDA含量分別是對照組的153%和131%.這與POD酶活性結(jié)果是一致的.

圖3 人工納米TiO2對玉米根和葉片中MDA含量的影響

3 結(jié)論

隨著土壤中TiO2濃度的升高，玉米幼苗的生物鮮重顯著提高，玉米幼苗的生長受到了明顯的促進(jìn)作用，但根部和葉片存在差異.玉米幼苗根部的鮮重先升高后降低，在1 000 mg/kg的TiO2樣土中生長的玉米幼苗的根部鮮重升高最大，而葉片鮮重則持續(xù)升高.

根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)等根系形態(tài)參數(shù)先升高后降低，拐點(diǎn)大致在TiO2濃度為500 ～1 000 mg/kg.表明人工納米TiO2顆粒在一定濃度下對根系生長有顯著促進(jìn)作用，而超過一定濃度界限后，TiO2對根系生長的促進(jìn)能力下降.

玉米幼苗POD酶活性也先升高后降低，在TiO2濃度為500 mg/kg時(shí)，葉片POD酶活性達(dá)到最高，高濃度組中的POD酶均顯著降低，而MDA含量在升高.這說明隨著TiO2濃度升高，玉米幼苗受到的氧化脅迫在升高，而超過一定濃度后，植株遭受嚴(yán)重氧化損傷.