（环境科学专业论文）cuo纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究.pdf

含量约为空白对照的2 0 倍，是o 1 5m g lc u 2 + 处理下幼苗地上部铜含量的1 5 倍。 说明c u oe n p s 能够以一定方式进入到植株体中。进一步算得幼苗暴露在 5 0 m l c u oe n p s 时，铜从拟南芥幼苗根到地上部的转运系数( t f ) 仅为0 0 2 8 ， 说明c u oe n p s 被拟南芥从根部迁移到地上部的能力不大，但是也会最终影响到 植物地上部的生长。 关键词：c u o 人工纳米颗粒；拟南芥；生物量；根系形态 i i ac o m p a ra tiv es t u d yo ft o xicit ye f f e c to fc u o n a n o p a r ticie st ot h r e edif f e r e n ta r a b i d o p s i st h a i a n a a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h e i r u n i q u ep h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ， e n g i n e e r i n gn a n o p a r t i c l e s ( e n p s ) h a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi ni n d u s t r y a n dd a i l yl i f e ，i n c l u d i n gp a i n t s ，c e r a m i c s ，t e x t i l e s ，p h a r m a c e u t i c a l s ，c o s m e t i c s ， e n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o na n do t h e ri n d u s t r i e s h o w e v e r , w i t ht h e i rw i d ea p p l i c a t i o n ， m o r ea n dm o r ec u oe n p sw i l li n e v i t a b l ye n t e ri n t oa q u a t i ca n ds o i le n v i r o n m e n t ， w h i c hg r e a t l yi n c r e a s et h el i k e l i h o o do fh u m a ne x p o s u r et oc u oe n p s s ot h e p o t e n t i a lh a z a r d so fc u oe n p ss h o u l dn o tb ei g n o r e d s t u d i e sh a v es h o w n t h a te n p s h a v et o x i ce f f e c t so nm i c r o o r g a n i s m ss u c ha sb a c t e r i a ，a l g a e ，d u c k w e e d ，m u s s e l s ，f i s h a n di n v e r t e b r a t e s a st h ep r i m a r yp r o d u c e r s ，p l a n t sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h e c y c l eo fe n v i r o n m e n t a la n de c o l o g i c a ls y s t e m s t h er e s e a r c h e so nt h ee n v i r o n m e n t a l e f f e c t so fe x o g e n o u sp o l l u t a n t so f t e nu s ep l a n t sa so n eo ft e s to r g a n i s m s t h e r e f o r e ，i t i si m p o r t a n tt oc a r r yo nt h es t u d yo ft h ec h e m i c a lb e h a v i o ro fc u oe n p si nt h e e n v i r o n m e n ta n dt h e i rt o x i ce f f e c t so np l a n t s ，w h i c hh a v ei m p o r t a n ts c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c et ot h ee n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n to f c u oe n p s t h r e ed i f f e r e n te c o t y p e so fa r a b i d o p s i st h a l i a n aw e r es e l e c t e da st e s to r g a n i s m s b ym e a n so fh y d r o p o n i ce x p e r i m e n t s ，t h et o x i ce f f e c t so fe n p sw e r ec o m p a r a t i v e l y s t u d i e dt oe x p l o r et h ee f f e c t so fc u oe n p so np l a n ts e e d l i n gg r o w t hi na na q u e o u s e n v i r o n m e n t f i n a l l yo n ee c o t y p ew a sc h o s e nt ob et h em o s ts e n s i t i v ee c o t y p eu n d e r e n p st r e a t m e n t a n db i o a c c u m u l a t i o no fe n p si np l a n tw a ss t u d i e du s i n gt h a t e c o t y p e t h i ss t u d y c o u l dp r o v i d et h eb a s i cd a t af o rt h ef o l l o w u pw o r ka b o u t m o l e c u l a rt o x i cm e c h a n i s mo fc u oe n p s f i r s t l y , t h ee f f e c t so fc u o e n p so ns e e dg e r m i n a t i o nr a t e ，g e r m i n a t i o ne n e r g y a n dg e r m i n a t i o ni n d e xd u r i n gt h es e e d sg e r m i n a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fc u oe n p sw i l ls l o wd o w nt h eg e r m i n a t i o n p r o c e s so ft h ec o l 一0e c o t y p e ，b u tt h e r ew a s n os i g n i f i c a n te f f e c to ns e e d sg e r m i n a t i o n o fa l le c o t y p e a n dt h e nt h ee f f e c t so fc u oe n p so ns e e d l i n gg r o w t hi nah y d r o p o n i c s i i i c u l t u r es y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c h e ss h o w e dt h a tc u oe n p sc a ni n h i b i t t h eg r o w t ho f t h e s e e d l i n ga n dr o o te l o n g a t i o no f a r a b i d o p s i ss e e d l i n g s ，l e a d i n gt ot h e d e c l i n ei ns e e d l i n gb i o m a s sa n dr e s u l t i n gi na b n o r m a lr o o tm o r p h o l o g yo fs e e d l i n g s t h er o o to fs e e d l i n g se x p o s e di nc u oe n p sb e c a m es h o r t e ra n dt h i c k e r , r o o ts u r f a c e a r e aa n dv o l u m ed e c r e a s e d ，a n dr o o ta p i c a lr e d u c t i o ni nt h en u m b e r d u r i n gt h r e e e c o t y p e s ，b a y 。0e c o t y p es h o w e dt h eg r e a t e s tt o x i ce f f e c to nr o o tm o r p h o l o g ya f t e r b e i n ge x p o s e dt oc u oe n p s b e s i d e s ，c u oe n p sc o u l di n h i b i tt h eg r o w t ho fs e e d l i n g l e a v e s ，a n dt h el e a fa r e a sw e r er e d u c e dc o m p a r e dt ot h ec o n t r 0 1 c u oe n p sh a v et h e s a m ee f f e c to nt h el e a fa r e a so fb a y 一0a n dw s - 2e c o t y p e ，w h i l et h ee f f e c to nc 0 1 0 e c o t y p el e a fa r e ac o u l db ei g n o r e d + t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，b a y 一0e c o t y p ew a sd e t e r m i n e dt ob et h em o s t s e n s i t i v ee c o t y p eu n d e rc u oe n p st r e a t m e n t s ob i o a c c u m u l a t i o no fe n p si np l a n t w a ss t u d i e du s i n gb a y 一0e c o t y p es e e d l i n g f i n a l l y , s t u d i e so nt h ea b i l i t yo fc u o e n p s a b s o r b e db ya r a b i d o p s i ss e e d l i n g sh a v es h o w nt h a tt h et o t a lc o p p e rc o n t e n to fs h o o t s a n dr o o t so fa r a b i d o p s i ss e e d l i n ge x p o s e dt oc u oe n p sw a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h er o o t sc o p p e rc o n t e n to fs e e d l i n gt r e a t e db y5 0m g lc u oe n p sw a sa b o u t2 2 t i m e st h a nt h a ti nt h ec o n t r o lt r e a t m e n t b e s i d e s ，t h ec o p p e rc o n t e n to ft h es e e d l i n g s h o o t sw a sa b o u t2 0t i m e st h a nc o n t r o la n dw a s1 5t i m e st h a nt h a tu n d e ro 15m g l c u pt r e a t m e n t t h e s er e s u l t si n d i c a t e dt h a tc u oe n p sc o u l de n t e ri n t ot h ep l a n tb o d y i ns o m ew a y f u r t h e r m o r e ，t h et r a n s l o c a t i o nf a c t o r ( t f ) f r o mr o o tt os h o o to fc o p p e r w a s0 0 2 8a f t e r a r a b i d o p s i ss e e d l i n g se x p o s e dt o5 0 m g lc u oe n p s ，i n d i c a t i n gt h a t t h ea b i l i t yo fc u oe n p sm i g r a t e df r o mt h er o o t st ot h ea b o v e g r o u n db y a r a b i d o p s i s i ss m a l l ，b u tc u oe n p sw i l la l s oa f f e c tt h eg r o w t ho fs h o o t k e yw o r d s ：c u oe n g i n e e r i n gn a n o p a r t i e l e s ； m o r p h o l o g y c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 o 前言 近年来，人工纳米颗粒( e n g i n e e r i n gn a n o p a r t i c l e s ，e n p s ) 在工业和日常生 活中的应用日益增多，必然会导致越来越多的e n p s 的释放，进入到水体和土壤 环境，这也极大增加了人类接触e n p s 的可能性，其潜在危害不容忽视( n o w a c k a n db u c h e l ，2 0 0 7 ) 。已有研究表明，e n p s 能够对细菌( b r a y n e re ta 1 ，2 0 0 6 ) ，藻 类( h u n d r i n k ee ta 1 ，2 0 0 6 ) ，浮萍( k i me ta 1 ，2 0 1 1 ；j u h e le ta 1 ，2 0 1 0 ) 贻贝( g o m e s e ta 1 ，2 0 1 0 ) ，鱼类( c h e n ge ta 1 ，2 0 0 9 ) 及无脊椎动物( l o v e me ta 1 ，2 0 0 6 ；z h ue t a 1 ，2 0 0 6 ) 产生毒性效应。 植物作为生产者，在环境生态系统循环中起非常重要的作用。对外源污染物 环境效应的研究也常采用植物作为受试生物之一。因此，研究e n p s 对植物的毒 性效应及其致毒机制对于考察e n p s 的环境效应具有重要科学意义。目前大部分 对于植物的研究侧重于e n p s 对其毒性的研究，而分子致毒机制方面的研究还很 少。毒性方面的研究主要包括对植物种子发芽率的影响( l i na n dx i n g ，2 0 0 7 ； k h o d a k o v s k a y a e ta 1 ，2 0 0 9 ；c a s t i g l i o n ee ta 1 ，2 0 11 ) ，对根生长的影响( y a n ga n d w a t t s ，2 0 0 5 ；c a f i a se ta 1 ，2 0 0 8 ；m ae ta 1 ，2 0 1 0 ) ，对生物量的影响( l e ee ta 1 ，2 0 0 8 ) 等。另外还涉及到e n p s 在植物根部和地上部的分布情况( z h ue ta 1 ，2 0 0 8 ； l o p e z m o r e n oe ta 1 ，2 0 1 0 b ) 以及通过透射电子显微镜( t e m ) 等手段观察其在 细胞中的定位( l i na n dx i n g ，2 0 0 8 ； z h a n g e ta 1 ，2 0 1 1 ) 。并且通过随机扩增多 态d n a 技术( r a p d ) ( l 6 p e z m o r e n oe ta 1 ，2 0 1 0 a ) 、微核实验( k u m a r ie ta 1 ，2 0 1 1 ) 等技术检测e n p s 对植物的d n a 损伤和基因毒性。大量文献研究了同种e n p s 对不同植物的毒性效应( y a n ga n dw 批s ，2 0 0 5 ；m ae ta 1 ，2 0 1 0 ：l e ee ta 1 ，2 0 0 8 ： c a f i a se ta 1 ，2 0 0 8 ) ，都将其毒性效应不同的原因归结为植物之间的敏感差异性。 显而易见不同的植物有不同的遗传背景，因而对于外源污染物的胁迫肯定会有不 同的响应机制，但是是什么样的基因组成导致了这种毒性反应的不同，对于研究 e n p s 的分子致毒机制极其重要。 拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 为一年或两年生双子叶草本植物，属于十字花科 ( c r u c i f e r a ) 拟南芥属( a r a b i d o p s i s ) 。拟南芥植株形态个体小，基生叶有柄呈莲座状， c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 叶片倒卵形或匙形，高度只有3 0 c m 左右，1 个茶杯可种植好几棵；生活周期短、 每代时间短，从播种到收获种子一般只需要8 周左右，且每株每代可以产生数于 粒种子。其生态类型丰富、分布广、基因组小( 2 n = 1 0 ，基因组大小为1 2 5 m b ) ， 且容易进行诱变和遗传转化，成为植物研究领域非常重要的模式植物( 吕山花等， 2 0 0 8 ) 。如今，拟南芥已经被广泛应用于分子遗传学、功能基因组学等众多研究 领域( 樊妙姬，1 9 9 2 ) 。其在农业科学中所扮演的角色正彷佛小鼠和果蝇在人类 生物学中的一样。 本研究选择3 种生态型的拟南芥作为受试生物，比较研究e n p s 对其的毒性 效应，探讨e n p s 在水环境中对植物生长的影响及其在植物体中的生物积累，本 研究为从基因水平上深入探讨e n p s 的植物分子致毒机制提供重要的基础数据。 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 1 绪论 1 1 研究背景与意义 在纳米尺寸范围内的颗粒已经在地球上存在数百万年，被人为利用也已经有 数千年的历史。例如烟尘，作为黑碳的一种类型，就是化石燃料和植被不完全燃 烧后的一个产物。如今，随着纳米技术的飞速发展，e n p s 的合成和使用日益增 加，并已经在电子、纺织、医药、化妆品、建筑，环保等行业得到了广泛的应用。 粗略估计到2 0 18 年，与纳米技术相关的消费品总额将达到3 万亿美元( g l o b a l i n d u s t r ya n a l y s t s ，2 0 0 8 ) 。这些e n p s 广泛应用于消费产品的同时，很可能通过 释放进入到陆地、大气环境中，再通过雨水沉降，地表径流等方式最终进入水体。 然而它们在环境中的行为和归趋在很大程度上尚不清楚。因此近年来e n p s 的环 境效应倍受社会各界关注。有学者呼吁，人们应该针对e n p s 对人类及整个生态 系统存在的潜在有害影响进行系统和深入研究( s e r v i c ee ta 1 ，2 0 0 3 ；m a y n a r de ta 1 ， 2 0 0 6 ) 。虽然e n p s 在自然环境中一般以较低的浓度存在，但它们一旦被摄入后 便可通过与其他物质或者生物体结合作用，在环境中长期潜伏，浓度不断积累放 大，最终对暴露其中的生物体产生显著毒性效应。植物是生态环境的基本组成部 分之一，扮演着及其重要的角色。作为自然界的生产者，植物也是各类外源污染 物发生生物蓄积的起点之一。污染物可以通过食物链逐级高位富集，最终导致高 级生物生存受到有害影响。因此，本研究通过研究e n p s 对拟南芥萌芽过程和幼 苗期生长的影响以及植物体对e n p s 吸收的可能性，比较e n p s 对不同生态型拟 南芥的毒性差异，探讨e n p s 对植物生长的影响及其在植物体中的生物积累，对 保护环境具有重要的意义。 1 2 人工纳米颗粒概述 1 2 1 纳米颗粒的定义及分类 在众多的人工纳米材料中，人工纳米颗粒( e n g i n e e r i n gn a n o p a r t i c l e s ，e n p s ) 是指至少有二维尺寸介于1 1 0 0 n m 之间的颗粒。它们可以是球形，管状，或者呈 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 不规则形，可以以融合，聚集或烧结的形式存在( n o w a c ka n db u c h e l i ，2 0 0 7 ) 。 它们在纳米科学发展中扮演着重要的作用。目前一般将e n p s 划分为两类： ( 1 ) 碳基材料( 富勒烯，单壁、多壁碳纳米管) ；( 2 ) 无机纳米颗粒：金属氧化物 纳米颗粒( 氧化铁，氧化锌，二氧化钛，氧化铈等) ：金属纳米颗粒( 金，银， 铁纳米颗粒) ；量子点( 硫化镉，硒化镉) 。在美国w o o d r o ww i l s o n 国际学者 中心于2 0 0 9 年发布的“纳米技术消费品清单”中列出了目前最常见的e n p s 依 次为银、富勒烯和碳纳米管、氧化锌、二氧化硅、二氧化钛等( w o o d r o ww i l s o n i n t e r n a t i o n a lc e n t e rf o rs c h o l a r s ，2 0 0 9 ) 。 1 2 + 2 纳米颗粒的来源 纳米颗粒的来源包括自然来源和人为来源( n a v a r r oe ta l ，2 0 0 8 ) 。其中，自 然源纳米颗粒主要产生于沙尘暴、火山爆发、森林火灾等( h a n d ye ta 1 ，2 0 0 8 ) 。人 为来源主要是由于纳米颗粒的广泛应用，最终会通过各种途径进入到环境之中。 纳米材料的点源来源包括纳米颗粒生产工厂废物排放、污水处理中纳米颗粒的使 用和污泥的废弃等( b r a re ta 1 ，2 0 1 0 ) ；其它非点源污染，例如含纳米颗粒的物 质在使用中的磨损所释放的。另外生产或者运输过程中突发的纳米颗粒意外泄露 事故也会造成纳米颗粒的环境释放。 1 2 3 纳米颗粒的特性 当颗粒处于纳米尺度范围时，其磁学性能、熔点、电学性能、光学性能、力 学性能和化学活性将会出现一些特殊性质。例如与大颗粒同种物质相比，其熔点、 开始烧结温度和晶化温度均低得多。导致其表现出的独特性能不能用传统的理论 体系进行解释( e y c h m u l l e ra ，2 0 0 0 ) 。以下概述了导致纳米颗粒表现出独特性 能的4 种基本效应( 方云等，2 0 0 3 ) 。 ( 1 ) 小尺寸效应 小尺寸效应是指随着颗粒尺寸变小而引起的宏观物理性质的变化。与相对应 的大颗粒相比，由于纳米颗粒尺寸小，比表面积大，其在熔点、电学性能、磁学 性能和光学性能等都发生了变化，产生出一系列“新奇”的现象( 王学川等，2 0 0 6 ) 。 4 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 例如，直径为2n r l l 的金纳米颗粒熔点降为3 3 0 ；铜颗粒在纳米尺寸范围时就 不具有导电性能，而绝缘的二氧化硅颗粒在小于2 0 n m 时却开始导电；另外金属 纳米颗粒对光的吸收效果会显著增加，可以利用这一特性高效率地将太阳能转变 为电能、热能。 ( 2 ) 表面效应 当纳米晶体微粒的粒径小到纳米尺度时，其表面原子数、表面积和表面能均 会急剧增加，这种性质的变化称为纳米颗粒的表面效应。随着纳米颗粒粒径的减 小，表面粒子出现一种空位效应，周围缺少相邻的粒子，从而表面粒子配位不够， 导致大量的不饱和键和悬空键。纳米颗粒较高的表面能使得表面原子具有极高的 活性，稳定性差，增加通过与外界原子结合而获得稳定的趋势，从而引起纳米粒 子的构型变化以及原子运输。例如，由纳米晶粒子组成的陶瓷产品，其韧性大大 提高；纳米颗粒强的表面活性有利于吸附、催化等过程的发生。 ( 3 ) 量子尺寸效应 量子尺寸效应主要是针对金属和半导体纳米微粒而言的。通常金属大颗粒材 料的能带是连续的，但是当颗粒粒径处于纳米尺寸范围时，其能带将裂分为分立 的能级，即能级量子化，且纳米材料能级之问的间距会随着颗粒粒径的减小而增 大。当能级间距大于光能、热能、静电能以及磁能等的平均能级间距时，就会出 现与相对应的金属大颗粒截然不同的反常特性，称这种效应为量子尺寸效应。量 子尺寸效应会导致纳米颗粒在光、电、磁、声、热及超导电性能等特性与金属大 颗粒的显著不同( 王学川等，2 0 0 6 ) 。例如，纳米颗粒常常具有高的光学非线性及 特异的催化性；与大颗粒材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象， 即吸收带移向短波方向。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应 纳米粒子的一些宏观的物理量，例如磁化强度、电荷等可以穿过宏观系统的 势垒而产生变化，从而具有宏观量子隧道效应。这些效应与量子尺寸效应一起， 将成为未来微电子器件的应用基础。 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 由于e n p s 具有的以上4 种特性，使其表现出许多奇特的物理、化学性质。 越来越多的领域开始利用e n p s 具有的这些特殊性能，从而使e n p s 在各行各业 得到了广泛的应用。 1 2 4 纳米颗粒的应用 由于纳米颗粒具有传统大尺度颗粒所没有的独特性能，从而得到人们的重 视，并在各行各业被广泛应用。 ( 1 ) 纳米颗粒在农业生产中的应用 目前，e n p s 在农业生产上的应用主要表现在食品加工行业和传统农业生产 改造方面。例如纳米材料固化酶应用于食品加工、酿造行业以及沼气发酵，可以 提高其生产效率。含e n p s 的农药，更易进入到害虫的体内，在其消化系统、呼 吸系统等内部组织有效地发挥杀虫作用。另外用纳米材料制成的农用薄膜，可以 有效地防紫外线以及完成光转化，不仅提高作物光合作用效率，而且还能够生产 出可被分解的薄膜，减少白色污染对环境的破坏。基于纳米颗粒对植物生长的抑 制作用，可以用于除草剂等农业用品中以达到良好效果。利用新型纳米功能材料 对植物生长的促进作用，人们可以将它正确适当地应用于农业生产过程中，使之 成为行之有效的农业增产技术手段。 ( 2 ) 纳米颗粒在环保方面的应用 随着社会的发展，环境污染加重，环境治理压力也随之增大。纳米技术的 出现和蓬勃发展给许多环境问题的解决开辟了新道路。例如在水处理方面，新型 的纳米级净水剂较普通净水剂具有更强的吸附能力。纳米孔径的过滤装置可以有 效吸附水中悬浮物并使之沉淀；含纳米磁性物质或者活性炭的净化装置，可有效 去除废水中铁锈等污染物和消除异味；另外利用某些e n p s 具有的光催化性质， 用以处理含有机污染物的废水效果很好。 在空气净化方面，纳米技术的兴起也为其提供了新的处理途径。运用纳米 技术对窄气中2 0n m 的污染物的清除能力显著优于其它处理技术。有研究表明燃 煤中加入纳米级助燃催化剂后，可以使燃煤充分燃烧，不仅提高能源的利用率， 还能有效减小有害气体的产生。另外将具有催化性能的e n p s 加入到发动机汽缸 6 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 内，通过催化作用促使汽油充分燃烧，减少汽车尾气中一氧化硫和氮氧化物的排 放，减少光化学烟雾的发生。 另外在能源高效利用、储存和制造方面，e n p s 也具有良好的应用前景。例 如将碳纳米管( c n t s ) 做成燃料电池驱动汽车，就可以有效避免传统机动车尾 气排放而造成的大气环境污染。另外，纳米技术还在环保家电、绿色材料、环保 装饰材料等方面也被大量应用。 ( 3 ) 纳米颗粒在建筑行业的应用 普通陶瓷材料韧性较低且脆性大，因此难于进行加工制造，影响其广泛使用。 而由纳米晶粒子组成的陶瓷产品，其韧性大大提高。例如将纳米二氧化铈( c e 0 2 e n p s ) 用于陶瓷生产中，能够降低陶瓷的烧结温度、抑制其晶格生长、从而提高 陶瓷的致密性，应用前景良好( j u - n a ma n dl e a d ，2 0 0 8 ) 。纳米二氧化钛( t i 0 2 e n p s ) 和纳米氧化锌( z n oe n p s ) 具有较强的杀菌能力和良好的抗紫外性，将 其分散到涂料中便可制成稳定的抗菌防污涂料，同时提高涂料的抗老化性。此外， 纳米颗粒还可以用于制备建筑涂料、激光涂料等( l e ee ta 1 ，2 0 1 0 b ) ，拥有良好 发展前景。 ( 4 ) 纳米颗粒在日常生活中的应用 纳米t i 0 2 、z n o 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 等颗粒对大气中3 0 4 0 0 n m 波段的紫外线有 吸收特征，因此这些e n p s 常被用于防晒用品、化妆品中，起到有效保护皮肤的 作用( h u a n ge ta 1 ，2 0 0 8 ) 。纳米颗粒可以用于静电屏蔽材料的生产和使用。在 化纤衣服、地毯等化纤制品中加入少量金属e n p s 就可以大大降低静电效应，可 避免或降低放电效应和吸尘现象，提高产品的安全性；另外在室温下，f e 2 0 3 e n p s 、t i o ，e n p s 、z n oe n p s 等具有比常规氧化物更高的导电性能，同时具有 不同的颜色，因此可以通过复合来控制静电屏蔽涂料的颜色； ( 5 ) 纳米颗粒在分子生物学中的应用 一般来说，e n p s 尺寸小于生物体细胞，因此可以利用e n p s 进行细胞分离、 细胞染色等过程。近年来利用e n p s ( 如碳纳米管) 作为载体制成特殊药物或新 型抗体进行局部定向治疗的应用日益增加和得到了广泛关注。e n p s 可以使药物 在人体内的传输更方便和定位准确。例如将磁性e n p s 表面涂覆一层高分子材料， c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 在外部与蛋白相结合作为药物的载体被注入到动物体后，在外加磁场作用下通过 磁性导航，使e n p s 准确移向病变部位，从而达到定向治疗的目的( l i ue ta 1 ， 2 0 1 0 ) 。 1 3 人工纳米颗粒生物毒性研究进展 随着e n p s 的广泛应用，其在生产加工、日常使用、产品废弃过程中不可避 免地会进入到大气，土壤和水体环境( b e h r aa n dk r u g ，2 0 0 8 ) 。迄今为止，大量 研究表明e n p s 会对生物产生毒性效应，其中包括对藻类( f r a n k l i ne ta 1 ，2 0 0 7 ； a r u o j ae ta 1 ，2 0 0 9 ) 、菌类( k a n ge ta 1 ，2 0 0 7j i a n ge ta 1 ，2 0 0 9 ；s o t i r i o ua n d p r a t s i n i s ，2 0 1 0 ) 等微生物，鱼类( k i n g h e i d e n ，2 0 0 9 ) 及小鼠等动物( c h o u ， 2 0 0 8 ) 。a r u o j a 等( 2 0 0 9 ) 比较了z n o 、t i 0 2 和c u o3 种e n p s 对羊角月芽藻 ( p s e u d o k i r c h n e r i e l l as u b c a p i t a t a ) 的毒性，结果表明z n oe n p s 毒性最大而t i 0 2 毒性最小。j i a n g 等( 2 0 0 9 ) 在避光条件下研究了浓度为2 0m g m 的z n o 、a 1 2 0 3 、 s i 0 2 和t i 0 2 等e n p s 对细菌( 枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和荧光假单胞菌) 的毒性 作用，研究也发现纳米z n o 的毒性最强，使3 种细菌全部死亡，其次为纳米a 1 2 0 3 和s i 0 2 颗粒，而t i 0 2e n p s 在该实验条件下不会对细菌产生毒性。也有研究表明 纳米z n o 、a 1 2 0 3 和z i 0 2 颗粒会显著抑制线虫( c a e n o r h a b d i t & e l e g a n s ) 的生长， 2 4 h 内半致死浓度( l c s o ) 分别为2 3 、8 2 和8 0m g m ( w a n g e ta 1 ，2 0 0 9 ) ，显然z n o e n p s 的表现出的毒性也是最强的。通过对8 周龄雄性小鼠采用气管滴注法，o 5 m g 的单壁碳纳米管( s w c n t s ) 能够诱导肺泡巨噬细胞活化，产生各种慢性炎症反应， 甚至导致严重的肺肉芽肿的形成( c h o u ，2 0 0 8 ) 。 目前人们对e n p s 的毒性机制还没有得出系统的结论，亟待开展进一步深入 探讨研究。目前普遍认为e n p s 可能通过破坏细胞膜完整性、造成氧化胁迫、促 使蛋白质氧化和变性、产生基因毒性等过程对生物体产生毒性效应( 王震宇等， 2 0 1 0 ) 。 植物作为生态系统重要组成部分，成为许多外源物质毒性评价的受试生物之 。因此，越来越多的研究开始关注e n p s 对植物的毒性效应及其致毒机制。 8 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 1 4 人工纳米颗粒的植物毒性研究进展 1 4 1 人工纳米颗粒植物毒性研究体系概述 ( 1 ) 溶液培养方式 目前，e n p s 对植物毒性效应的研究大部分是通过溶液培养的方式进行的。 这种方式是将一定量的e n p s 加入到营养液中，以营养液作为空白对照，研究植 物生长的差异性以此来评定e n p s 的毒性。如y a n g 和w a t t s ( 2 0 0 5 ) 在营养液中加 入纳米氧化铝( a 1 2 0 3e n p s ) 后，发现在含a 1 2 0 3e n p s 的营养液中生长的5 种 植物( 玉米、黄瓜、卷心菜、大豆、胡萝卜) 的根伸长受到一定影响，进一步发现 加入表面不被菲包覆的a 1 2 0 3e n p s 会抑制植物根伸长，而表面被菲包覆的a 1 2 0 3 e n p s 对植物根伸长不会产生抑制作用。l i n 和x i n g ( 2 0 0 7 ) 也是在营养液中研究了 5 种e n p s ( m w c n t s 、a 1 、a 1 2 0 3 、z n 、z n o ) 对萝卜等6 种植物种子发芽率和根 伸长的影响。这种方式是在实验室模拟水环境条件研究e n p s 的植物毒性，但是 实验用水基本不含有机质，p h 值稳定，离子强度极低而且离子种类单一，因而 这些研究结果并不能完全代表e n p s 在自然水体中的毒性效应。 ( 2 ) 琼脂培养基中加入e n p s l e e 等( 2 0 0 8 ) 第一次用植物琼脂培养基培养的方法研究了纳米c u 颗粒对绿 豆( p h a s e o l u sr a d i a t u s ) $ t l d 、麦( t r i t i c u ma e s t i v u m ) 生长的影响，作者认为这种在植 物琼脂中加入c ue n p s 的方式，可以有效避免c ue n p s 的沉淀，并且能够使颗 粒呈均匀分布状态。k h o d a k o v s k a y a 等( 2 0 0 9 ) 在琼脂培养基中加入碳纳米管 ( c n t s ) 后，发现c n t s 能够加速西红柿种子发芽过程，极大地缩短种子的发 芽时间。分析表明浓度在1 0 4 0 m g l 的c n t s 能够渗入厚的西红柿种皮，增加 其种子的吸水性，从而提高了种子的发芽率和幼苗的生长速率。l e e 等( 2 0 1 0 a ) 也是通过在1 2 m s 培养基中加入四种金属氧化物e n p s ( a 1 2 0 3 、s i 0 2 、f e 3 0 4 、 z n o ) ，研究它们对拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 的植物毒性。研究表明，z n oe n p s 的毒性最大，其次是f e 3 0 4 ，s i 0 2 ，而a 1 2 0 3e n p s 几乎不表现出毒性。这种在琼 脂培养基中加入e n p s 来研究其植物毒性的方法，可能会减少e n p s 的移动性， 且与自然状态下e n p s 的存在方式有极大不同，因此也不能较真实地反应e n p s 的植物毒性效应。 c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 ( 3 ) 在土壤中加入e n p s 来源于工业生产、环境应用或人为活动的副产品的e n p s 越来越多的进入土 壤环境中( t h e n ga n dy u a n ，2 0 0 8 ) ，由于土壤中的有机质容易与无机组分结合， 或在其表面形成包裹物，所以土壤中的e n p s 很难与土壤分开或从土壤中提取， e n p s 的存在必然会导致生活在土里的生物的生存受到影响。因此研究土壤中 e n p s 的环境行为和生物毒性尤为重要。但由于土壤环境的复杂性，目前e n p s 的研究大多还集中于淡水生态系统，很少有研究e n p s 在土壤环境中的迁移转运 和归趋( p e r e i r ae ta 1 ，2 0 11 ) 。t i 0 2a n dz n oe n p s 加入到土壤中老化两个月后， 会减少播种在其上的小麦作物的产量，改变土壤酶的活性，且这种影响随着纳米 颗粒的粒径大小、暴露时间等的不同而不同( d ue ta 1 ，2 0 11 ) 。d o s h i 等( 2 0 0 8 ) 将菜豆( p h a s e o l u sv u l g a r i s ) 和黑麦草( 三d ，f “聊p p r p 陀，2 p ) 种植在加入了纳米a i 颗粒 的沙柱中，结果发现在实验浓度范围内纳米a l 颗粒的存在似乎对植物生长不会 产生不利影响，但是黑麦草叶片中a 1 的浓度与对照相比显著升高。可能是由于 e n p s 会与土壤中的颗粒物质发生吸附等相互作用，从而影响了e n p s 在土壤中 的迁移甚至影响其与植物的有效接触。 综上所述，在考察e n p s 植物毒性时，需要根据研究目的合理选择和建立研 究体系。 1 4 2 人工纳米颗粒对植物生长的影响 目前，大多数的研究表明，纳米颗粒对植物的生长具有抑制作用( y a n ga n d w a t t s ，2 0 0 5 ；l i na n dx i n g ，2 0 0 7 ) 。首先表现在e n p s 能够影响植物种子的发 芽和根伸长过程。l e e 等( 2 0 1 0 a ) 对比研究了四种e n p s ( a 1 2 0 3 、s i 0 2 、f e 3 0 4 、 z n o ) 对拟南芥发芽率的影响，其中z n oe n p s 表现出的毒性最强，这是因为较 其它3 种e n p s ，z n oe n p s 的水力半径最小，并且能溶解释放出z n 2 + ，同时作 者也证明z n oe n p s 的毒性不能全部归结为释放出z n 2 + 的作用。c a f i a s 等( 2 0 0 8 ) 的研究表明非功能化的单壁碳纳米管( s w c n t s ) 和功能化的s w c n t s 分别抑 制了西红柿和生菜的根伸长。m a 等( 2 0 1 0 ) n 用植物根伸长实验研究了4 种稀土 氧化物e n p s ( c e 0 2 、l a 2 0 3 、g d 2 0 3 、y b 2 0 3 ) 对7 种常见高等植物( 萝b 、油菜、 西红柿、生菜、小麦、卷心菜、黄瓜) 的植物毒性。通过研究发现浓度为2 0 0 0 m g l c u o 纳米颗粒对三种拟南芥毒性效应的比较研究 的l a 2 0 3e n p s 、g d 2 0 3e n p s 及y b 2 0 3e n p s 对于受试的7 种植物的根伸长都有明 显的抑制作用，而相同浓度的c e 0 2e n p s 却对植物根伸长没有影响。 也有研究证实e n p s 对植物幼苗期生长会产生毒性效应。l i n 和x i n g ( 2 0 0 8 ) 研究发现经过z n oe n p s 处理后黑麦草生物量明显下降，根尖萎缩，而且根表皮 和皮层细胞形成空泡或者瓦解；z n oe n p s 不仅粘附在根的表面，而且通过切片 后光镜观察到根内皮层和中柱的质外体以及原生质体也能看到e n