（环境科学专业论文）cuo纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输.pdf

c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 电子显微镜( h r t e m ) 观察到，纳米颗粒还能通过韧皮部向地下运输，并且在运输 的过程中一部分c u o 被还原为c u 2 0 及c u ，_ s 。纳米颗粒在向下运输的过程中可 能是伴随金属硫蛋白或光合作用形成的碳水化合物运输的，碳水化合物中的一些 还原性糖可能将铜由二价还原为一价，另外，植物体内的一些还原酶或铁氧还原 蛋白也可能充当还原剂。 关键词：人工纳米颗粒；植物毒性；韧皮部；迁移转运 i l c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 p h y t o t o x i c i t ya n dl o n g d i s t a n c et r a n s p o r to fc u o n a n o p a r t i c l e si nm a i z e ( z e am a y sl ) a b s t r a c t e n g i n e e r e dn a n o p a r t i c l e s ( e n p s ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di no u rd a i l yl i f ef o r t h ep r o p e r t i e so ft h e i rp a r t i c u l a rs u r f a c ee f f e c t ，v o l u m ee f f e c t ，q u a n t u ms i z ee f f e c ta n d d i e l e c t r i cc o n f i n e m e n te f f e c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e yh a v eg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u so f r e s e a r c h w h i l e ，t h ei n d u s t r i a ls c a l ep r o d u c t i o na n dw i d ev a r i e t yo fa p p l i c a t i o n so f e n p sa n dt h e i rp o s s i b l er e l e a s ei n t ot h en a t u r a le n v i r o n m e n tm i g h tc a u s ep o t e n t i a l r i s kt oe n v i r o n m e n t t h ed e m a n do fi n f o r m a t i o nr e f e r r i n gs a f e t ya n dt h eb i o t o x i c i t yo f e n p si s i n c r e a s i n g l yr i s i n g i n t e r n a t i o n a lj o u m a l ss c i e n c ea n dn a t u r ep u b l i s h e d a r t i c l e st od i s c u s st h eb i o l o g i c a le f f e c to fe n p si n2 0 0 3 a n dt h ee n v i r o n m e n t a l s e c u r i t yo fe n p sh a sa l r e a d yc a u s eh i g ha t t e n t i o n p l a n t sa r ea ne s s e n t i a lb a s ec o m p o n e n to fe c o s y s t e m sa n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h et r a n s p o r ta n da c c u m u l a t i o no fi ne n v i r o n m e n t u pt i l ln o w , t h er e s e a r c ho f p h y t o x i c i t yo fe n p sw a si n c r e a s i n g c u oe n p sa r eu s e de x t e n s i v e l yi nc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gg a ss e n s o r s ，p h o t o v o l t a i cc e l l s ，h e a t t r a n s f e rn a n o f l u i d s ， m a g n e t i cp h a s et r a n s i t i o n s ，c a t a l y s t sa n ds e m i c o n d u c t o r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fi t s a p p l i c a t i o n m o r e a n dm o r ec u oe n p sw i l lr e l e a s et ot h ee n v i r o n m e n t h o w e v e r ，k n o w l e d g eo nt h ep h y t o t o x i c i t ya n df a t eo fc u oe n p si nh i g h e rp l a n t s r e m a i nl i m i t e d i nt h i ss t u d y , t h et y p i c a lp l a n tm a i z e ( z e am a y sl ) w a sc h o s e na st e s t o r g a n i s m t h ea i mw a st oi n v e s t i g a t et h et o x i c i t yo fc u oe n p st op l a n ta n dt h e m e c h a n i s mo fe n p st r a n s l o c a t i o ni nm a i z e ，w h i c hw i l lp r o v i d et h eb a s i s f o rt h e e n v i r o n m e n t a ls a f e t ya s s e s s m e n to fe n p s t h i sr e s e a r c hs t u d i e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fc u oe n p st o m a i z es e e d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc u oe n p sh a dn oo b v i o u si n h i b i t i o no nt h e g e r m i n a t i o no fm a i z es e e d s t h er o o te l o n g a t i o no ft h es e e d sw a si n h i b i t e db yc u o e n p sd u r i n gt h eg e r m i n a t i o np e r i o d u n d e rt h ec o n d i t i o n so fs o i lc u l t i v a t i o n ，t h e e n p si n d u c e dv i s i b l ec h l o r o s i so fm a i z el e a v e s t h ei n f l u e n c eo fs t e ml e n g t h d e c r e a s e da st h ee x t e n s i o no fe x p o s e dt i m e t h i sm a yb ec a u s e db yt h ec o m p l e x i t yo f i i i c u o 纳米颗粒的植物毒性驶在玉米体内的长距离运输 t h es o i lc o m p o s i t i o n w h c l ! e x p o s i n gi ns o l u t i o n ，c u oe n p sh a ds i g n i f i c a n ti n h i b i t i o n o ns e e d l i n gg r o w t h t h et o x i ce f f e c to fc u oe n p si sd o s ea n de x p o s i n gt i m e d e p e n d e d n oe q u i v a l e n tp h y t o t o x i c i t yo fc u 2 + o rc o r r e s p o n d i n gb p sw a se v i d e n t s o t h ep h y t o t o x i c i t yo fc u oe n p sc o m e sf r o mi t s e l f t h es m a l ls i z ea n dl a r g es u r f a c e a l e ao f n p sm i g h tb et h er e a s o no ft h et o x i ct op l a n t c u oe n p sc a na d h e r et ot h es u r f a c eo fm a i z er o o tu n d e rt h eo p t i c a lm i c r o s c o p e a n dt h e nc u oe n p sc a l lb ef o u n di nt h er o o tc e l l sa n dl e a fc e l l sb yt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) o nt h eb a s eo f o u rp r e v i o u sr e s e a r c ht h a tc u oe n p sc a l le x i s ti nx y l e ms a po fm a i z e t h er e s u l t s w e r ep r e s e n ta sf o l l o w s ：c u oe n p sm a yf i r s ta d h e s i o no nr o o ts u r f a c ea n dt h e np a s s t h r o u g ht h er o o ta p e xw h e r et h ec a s p a r i a ns t r i pi sn o ty e tf u l l yd e v e l o p e da n dm o v et o t h es t e l e 、析t i ls u b s e q u e n tt r a n s p o r tt ot h es h o o t sv i ax y l e m t h ea g g r e g a t i o n 、析m h i g he l e c t r o n i cd e n s i t yi nt h er o o tc e l l sw a sa n a l y z e db yh i g hr e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( h r t e m ) ，s u g g e s t i n gt h a te n p sc o u l db et r a n s l o c a t e df r o m s h o o t sb a c kt or o o t sv i ap h l o e m d u r i n gt h i st r a n s l o c a t i o n ，s o m eo ft h ec u oe n p s w e r er e d u c e dt oc u 2 0a n dc u 2 s e n p sm a yb ea s s o c i a t e dw i t hm e t a l l o t h i o n e i na n d c a r b o h y d r a t e sd u r i n gn o r m a lp h o t o s y n t h e t i cs t o r a g ea c t i v i t i e s t h e s ec a r b o h y d r a t e s i n c l u d es u g a r ss u c ha sg l u c o s ea n df r u c t o s et h a tc a ns e r v ea sr e d u c i n ga g e n t s k e y w o r d s ：e n g i n e e r e dn a n o p a r t i e l e s ；p h y t o t o x i e i t y ；p h l o e m ；t r a n s l o e a t i o n i v c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 o 前言 纳米材料由于具有独特的物理化学性质，使纳米技术成为当今研究的热点。 纳米技术与信息技术、生命技术并称为2 1 世纪的新兴技术，具有广阔的发展前 景( 白春礼，2 0 0 1 ) 。纳米技术带来的经济利益是推动纳米材料前进的动力。目 前纳米技术及纳米材料已被广泛应用于农业、工业、日用品、医药等领域。纳米 技术大量应用的同时，导致大量的人工纳米颗粒排入环境中。由于纳米颗粒独特 的性质，其可能会对生态系统产生负面影响。纳米技术的飞速发展与应用相对于 人工纳米颗粒对环境带来潜在危害的极少报道却是不和谐的。 环境中的人工纳米颗粒会通过各种方式进入水体、大气及土壤中，进而被植 物吸收，植物作为生态系统的初级生产者，在人工纳米颗粒在环境中的吸收转运 及行为中起到重要作用。研究纳米颗粒对植物的毒性及其迁移转运对纳米颗粒生 态安全具有重要的意义。 目前，已有一些对人工纳米颗粒植物毒性及其迁移转运的报道。l i n 和x i n g ( 2 0 0 8 ) 研究发现z n oe n p s 能抑制幼苗生长、改变根系形态并能穿过根细胞的 表皮及皮层进入到植物体内。s e r a g e 等( 2 0 1 1 ) 证明多壁j 碳纳米管( m w c n t s ) 通过直接穿刺进入到长春花原生质体中。然而人工纳米颗粒进入植物体内的途径 及在植物体内的迁移转运规律仍然不是很清楚。本文首先研究c u oe n p s 对植物 的毒性效应，探讨人工纳米颗粒在植物体内的长距离运输规律，为人工纳米颗粒 环境安全评价提供依据。 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 1 绪论 1 1 研究背景与意义 随着纳米技术的飞速发展，纳米材料已被广泛应用于能源、医药、环保等领 域。2 0 0 4 年，纳米产品已达到1 0 0 0 吨之多( m a y n a r d ，2 0 0 6 ) 。据统计，截止到 2 0 1 4 年，全球市场将有超过1 5 的产品为纳米产品或者其生产过程中涉及人工 纳米技术( d a w s o n ，2 0 0 8 ) 。纳米材料在生产、使用及废弃过程中，必然会通过 各种途径进入到环境中。研究表明，一些针织物中含有纳米银，这些针织物在洗 涤的过程中会向环境中释放出纳米银( b e n n 和w e s t e r h o f f , 2 0 0 8 ；g e r a n i o 等。 2 0 0 9 ) 。建筑涂料中添加的t i 0 2e n p s 也会经过雨水的冲刷而进入水体及土壤中 ( k a e g i 等，2 0 0 8 ) 。人工纳米颗粒在生产、应用及废弃中不断向环境中释放， 这带来一个重要问题：纳米技术及纳米产品是否会引起环境风险? 2 0 0 3 年 s c i e n c e ) ) 和( ( n a t u r e ) ) 就纳米颗粒生物效应问题展开讨论，至今已 有大量研究表明，人工纳米颗粒对无脊椎动物( l o v e r n 和k l a p e r ，2 0 0 6 ) 、细菌 ( b r a y n e r 等，2 0 0 6 ；j i a n g 等，2 0 0 7 ) 、藻类( h u n d - r i n k e 等，2 0 0 6 ：w a n g 等， 2 0 il a ) 、鱼类( z h u 等，2 0 0 6 ；z h a o 等，2 0 1 2 ) 、高等植物( l i n 和x i n g ，2 0 0 8 ； m a 等，2 0 1 0 a ；z h a n g 等，2 0 1 1 ) 均能产生毒性效应。因此，人工纳米颗粒作为 一种潜在新型有毒物质，其环境效应的研究已成为国际上纳米技术领域的研究热 点。而植物是生态系统的初级生产者，在生态系统中有着重要的作用。人工纳米 颗粒在应用、处理及排放过程中会污染水体、土壤、大气，这些介质中的人工纳 米颗粒被植物吸收后，可能会通过食物链的蓄积作用影响其他生物，为生态新系 统带来潜在的风险，因而开展人工纳米颗粒对植物的生物毒性及其在植物体内的 迁移转运的研究十分重要。 1 2 纳米颗粒概述 1 2 1 纳米颗粒的定义 纳米材料是指至少一维空间粒径在1 - 1 0 0a m 的材料( t h ea m e r i c a ns o c i e t y c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 f o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ，美国试验与材料协会) ；将至少二维空间粒径在1 1 0 0 n m 的颗粒( t h eb r i t i s hs t a n d a r d si n s t i t u t i o n ，英国标准学会) 称为纳米颗粒，其可以 是球形、管形、尖形或者是团聚体的形式。 1 2 2 纳米颗粒的特性 ( 1 ) 表面效应 纳米颗粒的表面效应是纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着粒径变小 而急剧增大后引起的性质上的变化。随着纳米颗粒粒径的变小，表面原子占的比 例会急剧增大。纳米粒子减小，导致其表面能、表面积及表面结合能急剧增大， 从而表现出很高的化学活性( 张梅，2 0 0 0 ) 。 ( 2 ) 量子尺寸效应 微粒尺寸下降到一定值时，费米能及附近的电子能级由准连续能及变为离散 能级，吸收光谱阈值向短波方向移动的现象称为量子尺寸效应( 冯异等，2 0 0 6 ) 。 在纳米粒子处于分离的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的特殊性 质，如高的光化学非线性，特异的催化和光催化性质等。 ( 3 ) 体积效应 纳米粒子体积极小，所包含的原子数也很少，因此，很多现象就不能同通常 有无限原子的物质的性质说明，这种特殊现象称为体积效应。纳米粒子的这个性 质大大扩充了纳米颗粒的物理化学性质范围，为纳米颗粒的应用开拓了广阔的新 领域( 张梅，2 0 0 0 ) 。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应 隧道效应是指微观粒子具有贯穿势阱的能力。而纳米粒子的磁化强度等也具 有这样的隧道效应，可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，这种效应被称为纳米 粒子的宏观量子隧道效应。纳米粒子的这个性质与量子尺寸效应共同确定了微电 子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带的磁盘进行信息储存的最短时间 ( 冯异等，2 0 0 6 ) 。 ( 5 ) 光学性质 当块状金属晶粒尺寸减小到纳米级时，便呈现黑色，粒径越小，颜色越深， 纳米粒子的吸光能力越弱。能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 还能影响纳米粒子的吸光过程( 巩雄等，1 9 9 8 ) 。 ( 6 ) 催化性质 纳米粒子由于体积小，比表面积大，表面活性中心数多，其催化活性远高于 传统催化剂( 张梅，2 0 0 0 ) 。纳米粒子催化剂不需要附着在惰性载体上，可直接 放入液相反应体系中。纳米粒子还有光催化性，基于这个性质，其已广泛应用于 抗菌水处理装置、卫生日用品、食品包装、化妆品、医用设备、纺织品、涂料等 方面。 1 2 3 纳米颗粒的种类及应用 纳米颗粒按照其核心物质可分为有机和无机纳米颗粒。有机纳米颗粒又分为 富勒烯类( c 。、c ，。及其衍生物) 及碳纳米管( 多壁碳纳米管、单壁碳纳米管) 。 无机纳米颗粒分为金属氧化物类、金属及量子点。 ( 1 ) 含碳纳米颗粒( 富勒烯和碳纳米管) 富勒烯和碳纳米管存在天然来源，由于其形成原因不同，产状各异。在古老 地质样品中不断被发现。天然纳米材料的产生与极端地质条件有关，如火山爆发、 森林大火、陨石撞击等( n o w a c k 等，2 0 0 7 ) 。但环境中的碳纳米颗粒多是人为无 意识来源。如燃煤发电厂中煤燃烧过程，汽油、柴油燃烧等过程中均能产生富勒 烯( n o w a e k 等，2 0 0 7 ) 。甚至在中国油画汁中都能发现富勒烯，且浓度很高，可 达到3m g k 手lgk g 。1 ( h e y m a n n 等，2 0 0 3 ) 。碳纳米管也能在一些燃料燃烧过程 中形成( t a k u y a ，1 9 9 9 ) ，还可以再生产加工合金和钢的过程中以副产物的形式 产生( b a n g 等，2 0 0 4 ；m u r r 等，2 0 0 5 ) 。 富勒烯是全部由碳原子组成的球体或椭球体。c 6 0 是由1 2 个五元环和2 0 个 六元环组成的，每个碳原子以非标准s p 2 杂化轨道和3 个碳原子相连，在球壳外 围和内腔形成球面键，形成特殊的多面体碳原子粗何物的芳香体系( w i k i ，2 0 0 8 ) 。 碳纳米管是由石墨片层卷曲而成的管状物，分为单壁及多壁碳纳米管。首先 被发现的是多壁碳纳米管，是由1 0g m 长、4 4 0n n l 直径的聚焦圆筒组成，各层 管壁之间距离约为o 3 4n l n ，层数从两层到数百层。碳纳米管的制各方法有激光 烧蚀法、电弧放电法、化学气象沉积法、固相热解法等。后来人们发现在钴镍 催化剂下可能生产出单壁碳纳米管( s w c n t s ) 。单壁碳纳米管直径约为l - 6n n l ， 4 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 长度为几百纳米至几十微米。 碳纳米材料溶解性很低，疏水性强。水环境中碳纳米颗粒的悬浮性及其在环 境中的行为不仅与其自身性质有关，还与水环境条件有关，如表面活性剂、离子 强度及溶解性有机质等都能影响碳纳米颗粒的行为( 徐磊等，2 0 0 9 ) 。 碳纳米管目前广泛应用于药学和能源领域，包括碳纳米管金属复合材料、医 学芯片、药物载体、医用过滤器、化学传感器、氢存储、超电容器、太阳能电池、 染料电池等( 徐磊等，2 0 0 9 ) 。富勒烯及其衍生物的应用领域涉及物理化学、材 料和生物医学等领域。这些仅为少数已探索出来的可能的应用方面，随着研究的 深入，碳纳米材料的应用领域还可能得到进一步扩展。 ( 2 ) 金属及金属氧化物纳米颗粒 金属及金属氧化物纳米颗粒是化学实验室中常见的。金属氧化物纳米颗粒不 仅包括单金属氧化物( 如z n o 、c e 0 2 、t i 0 2 等) 还包括双金属氧化物( 如b a t i 0 3 、 l i c 0 0 2 、i n s n o 等) 金属氧化物纳米颗粒的制备方法有醇盐水解法、溶胶凝胶 法、微乳液法、超临界流体干燥法、非水溶剂水热法等( j u n a me ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 t i 0 2 及z n oe n p s 由于其光解特性被广泛应用。t i 0 2e n p s 作为光催化剂应 用于太阳能电池、涂料及包装中。z n oe n p s 由于其独特的阻挡紫外线作用，常 常用作防晒化妆品、瓶盖等。据统计，2 0 0 5 年至2 0 1 0 年，金属与氧化物仅用作 护肤品的产量就高达10 0 0 吨年( p i t k e t h l y ，2 0 0 4 ) 。c e 0 2e ，n p s 主要用于燃料催 化剂、太阳能电池、气体传感器、冶金等。利用纳米颗粒的光催化性质来处理废 水和改善环境也是一种行之有效的方法。掺杂f e 2 0 的t i 0 2 光催化剂来处理含硫 酸盐和废酸盐的废水，结果发现，纳米t i 0 2 普通比t i 0 2 粉末( 约为1 0g m ) 的 光催化活性高很多，处理废水的效果也优于普通t i 0 2 粉末( 张梅，2 0 0 0 ) 。高 纯纳米级s n 0 2 可用来制作气敏及湿敏元件。零价铁纳米颗粒可用作地下水、沉 积物及土壤修复。由于其表面积大、表面活性高、具有独特的催化活性而被广泛 应用。银纳米颗粒由于其抗菌性强，其产品可应用在伤口涂剂、纺织品、气体过 滤、牙膏、洗衣机等领域。 ( 3 ) 量子点 量子点是由i i ，i i i v 族元素组成的，溶于水，尺寸在1 1 0 0n l n 的晶粒。 由于存在量子尺寸效应，量子点连续能带变成分子特性的分离能级结构，因而量 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 子点有独特的光学特性。与传统有机染色分子相比，量子点具有发射光谱宽度窄、 激发光波段范围宽、荧光强度高、稳定性好、寿命长等优点( 李鸿程等。2 0 0 8 ) 。 若对量子点进行表面修饰，能提高其光学、化学剂催化性质，在非线形光学、催 化、磁介质、医药及功能材料方面应用前景广阔，是一类近几年发展起来的新型 材料。 其他纳米材料还包括一些有机聚合物，如聚苯乙烯、壳聚糖等，可应用在传 感器、电极、药物载体及生物标记物等方面( k l a i n e 等，2 0 0 8 ) 。 1 3 人工纳米颗粒对植物的毒性研究概况 1 3 1 人工纳米颗粒对植物的生物效应 排放到环境中的人工纳米颗粒会与周围环境相互作用，而植物作为生态系统 的重要组成部分，纳米颗粒可能被植物吸收并在植物体内蓄积，进而对食物链及 生态系统产生影响( m a 等，2 0 1 0 b ) 。近年来，越来越多的人针对纳米颗粒与植 物的相互作用性展开研究( ( b a a k e 等，2 0 0 9 ；l i n 和x i n g ，2 0 0 7 ；l i n 等，2 0 0 9 a ) 。 大部分研究结果证明纳米颗粒对植物可能产生促进作用、抑制作用或无明显作 用。 ( 1 ) 促进作用：k h o d a k o v s k a y a 等( 2 0 0 9 ) 研究发现，l o 4 0m gl 。的多壁碳 纳米管能增加番茄的发芽率并显著促进番茄的生长，这是因为碳纳米管能刺破种 皮，促进种子吸收水分。而水分是种子萌发过程中的重要条件，成熟的种子需要 大量水分促进细胞代谢及生长。然而碳纳米管穿刺种皮的机理还不清楚。土壤中 t i 0 2 e n p s 能通过增加光合作用中叶片的固氮能力而促进菠菜的生长( y a n g 等， 2 0 0 7 ) 。类似的，低浓度下，s i 0 2 和t i 0 2e n p s 的混合物能增加大豆根际的硝酸 还原酶活性，进而促进大豆发芽及生长( l u 等，2 0 0 2 ) 。s i 0 2e n p s 还能促进长白 落叶松( l a r i xo t g e n s i s ) 的生长( l i n 等，2 0 0 4 ) 。 ( 2 ) 无明显作用：一些研究也表明纳米颗粒对植物生长既没有促进作用也没 有抑制作用。从水分利用和呼吸方面t i 0 2e n p s ，对柳树生长没有作用( s e e g e r 等，2 0 0 9 ) 。沙土中，浓度为1 7m gl 。1 的a 1e n p s 对菜豆( p h a s e o l u sv u l g a r i s ) 和黑麦草( l o l i u mp e r r e n e ) 没有显示出任何作用( d o s h i 等，2 0 0 8 ) 。浓度达到 6 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 4 0 0 0m gl 。1 的a 1 2 0 3e n p s 对拟南芥根伸长也没有显著影响( l e e 等，2 0 1 0 ) 。 ( 3 ) 抑制作用：大部分对人工纳米颗粒与植物相互作用的研究表明纳米颗粒 对植物生长有抑制作用。暴露2 4 2 8h 的s w c n t s 能显著抑制番茄、卷心菜、胡 萝卜、莴苣的根伸长，却促进了洋葱和黄瓜的生长( c a f i a s 等2 0 0 8 ) 。其中，番 茄对s w c n t s 的敏感性最强。m a 等( 2 0 1 0 b ) 发现，a ge n p s 在很低的浓度下 ( lm gl 。1 ) 就能引起拟南芥幼苗的毒性效应，暴露于纳米颗粒后，植物根伸长 受到抑制，且根冠变为浅褐色。l i n 和x i n g ( 2 0 0 8 ) 也发现z n oe n p s 能使黑麦 草根尖形态改变，导致根尖表皮细胞破坏，皮层细胞出现空泡，维管束萎缩，整 个根尖细胞几乎全部死亡。水溶性富勒烯c 7 0 ( c ( c o o h ) 2 ) 4 - 8 干扰拟南芥根细胞生 长素的分布，阻碍生长素的传递；破坏分生区细胞分裂，导致纺锤体倾斜、不对 称；并能破坏伸长区表皮细胞骨架；减少根尖细胞活性( l i u 等，2 0 1 0 ) 。t i 0 2e n p s 能抑制玉米幼苗的生长并引起氧化损伤( 王震宇等，2 0 1 0 a ) 。金盛杨等( 2 0 1 1 ) 研究发现浓度为1 0 0m gl 1 的c u oe n p s 对小麦生长表现出很强的抑制作用，可 能是纳米颗粒通过影响植物细胞的抗氧化能力而产生毒性效应。 1 3 2 纳米颗粒对植物毒性作用的影响因素 一些金属氧化物纳米颗粒如z n oe n p s 能显著抑制植物发芽和根伸长( l i n 和x i n g ，2 0 0 7 ；y a n g 和w a t t s ，2 0 0 5 ) 。金属纳米颗粒如c ue n p s 能抑制绿豆 ( p h a s e o l u sr a d i a t u s ) 和小麦( t r i t i c u ma e s t i v u m ) 的发芽率，对其生长产生负作用 ( l e e 等，2 0 0 8 ) 。而绿豆比小麦更为敏感，这是因为绿豆是双子叶植物，具有大 量的主根，少量的侧根，而小麦是单子叶植物，有大量的须根而无主根。种子大 小也是影响纳米颗粒毒性的因素。因为相对较大的种子有较低的比表面积。 s w c n t s 对相对较小的种子( 莴苣、洋葱、番茄) 表现出的毒性大于相对较大的 种子( 黄瓜) ( c a f i a s 等，2 0 0 8 ；n a v a r r o 等，2 0 0 8 ) 。 对于金属和金属氧化物纳米颗粒，离子释放可能是导致毒性效应的不可忽略 的因素。l i n 和x i n g ( 2 0 0 8 ) 研究表明z n oe n p s 对黑麦草的毒性作用不全来源 于离子释放。类似的，l e e 等( 2 0 1 0 ) 也发现相同浓度下，z n oe n p s 对拟南芥 的毒性远大于锌离子的毒性。s t a m p o u l i s 等( 2 0 0 9 ) 研究了五种人工纳米颗粒 ( m w c n t s 、a g 、c u 、z n o 、s i ) 对西葫芦( c u c u r b i t a p e p o ) 的毒性发现大颗粒及 7 c u o 纳米颗粒的植物毒性发枉玉米体内的妊距离运输 纳米颗粒的离子释放( 仅针对于a g 、c ue n p s ) 对植物的毒性较小，而人工纳 米颗粒对植物的毒性相对较大。植物对纳米颗粒的毒性效应的反应表现在生长受 阻、生物量减少、根冠畸形等。 人工纳米颗粒的浓度大小也是影响植物毒性的原因。在基本的毒性测试试验 中，研究f ee n p s 对黑麦草、亚麻、大麦发芽率的影响，发现在很高的浓度下( 2 0 0 0 和5 0 0 0m gl 。1 ) 能抑制植物发芽( e l - t e m s a h 等，2 0 1 0 ) 。同样，浓度为1 0 0 0m g l 。1 的z n oe n p s 能引起黑麦草几乎所有根尖活细胞死亡( l i n 和x i n g ，2 0 0 8 ) 。 人工纳米颗粒表面特性也是影响其植物毒性的因素。y a n g 和w a t t s ( 2 0 0 5 ) 研究发现，表面包覆菲后，a 1e n p s 对植物的毒性降低。h o s h i n o 等( 2 0 0 4 ) 分 析了量子点z n s c d s e 经巯基十一酸( m u a ) 、半胱氨盐、硫代甘油以及等比例的 上述混合物质修饰后，分别得到以下五种亲水性物质：q d c o o h ，q d n h 2 ， q d o h ，q d o h c o o h 和q d n h 2 o h ，对这五种物质对w t k l 细胞毒性的影 响进行研究，结果发现只有q d c o o h 对细胞的毒性较高，其他物质表现为低毒 或无毒。为了检验修饰物质本身的毒性，又单独将五种修饰物进行毒性测试，结 果表明m u a 对细胞毒性较高，这也解释了q d c o o h 表现出高毒性的原因，进 一步证实了人工纳米颗粒表面特性是影响其毒性的一个因素。 综上所述，人工纳米颗粒对植物的毒性效应主要是由纳米颗粒的特性、浓度 及植物种类决定的。 1 3 3 人工纳米颗粒对植物的细胞毒性、基因毒性 人工纳米颗粒的小粒径及高的表面活性使其能穿过细胞屏障与细胞内结构 相互作用，从而引起细胞毒性及基因毒性。 有关人工纳米颗粒对植物的基因毒性的研究还较少。t a n 等( 2 0 0 7 ) 发现 m w c n t s 随着浓度的增加，能减少水稻悬浮细胞的密度。低浓度下，细胞死亡 是由细胞程序死亡引起的。而高浓度下，细胞质渗漏及细胞膜破坏引起细胞坏死 导致大量细胞死亡( t a n 等，2 0 0 9 ) 。s h e n 等( 2 0 1 0 ) 证实s w c n t s 的大小及浓 度是引起潜在细胞死亡的原因。拟南芥细胞中，s w c n t s 能引起细胞d n a 断裂， 引起植物细胞的基因毒性。水溶性强、粒径小的富勒醇( c 6 0 ( o i - i ) 2 0 ) 较n o m c 7 0 引起的洋葱( 爿c e p a ) 细胞损伤更强( w h i t b y 等，2 0 0 7 ) 。e n p s 团聚导致质外 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 体途径受阻是引起细胞损伤的原因。l i n 等( 2 0 0 9 ) 发现水稻二代的叶片中存在 n o m c 7 0 ，而富勒醇仅在一代叶片中存在，但在分子水平上有人工关纳米颗粒基 因毒性的研究还很少。 l o p e z - m o r e n o 等( 2 0 1 0 a ) 用随机扩增多态d n a 技术( r a p d ) 检测了c e 0 2 和z n oe n p s 对大豆幼苗的基因毒性。4 0 0 0m gl 1z n oe n p s 处理下，大豆根的 r a p d 图谱中检测出一条新条带。这可能是d n a 与z n oe n p s 释放的锌离子相 互作用或直接与e n p s 作用导致的。然而，通过x 射线吸收近边结构( x a n e s ) 却发现植物组织中没有z n oe n p s 的存在，这就很难解释e n p s 与植物d n a 相 互作用导致基因毒性。而对于c e o ze n p s ，在浓度为2 0 0 0m gl 。和4 0 0 0m gl 。1 时，绿豆根分别出现四个和三个新条带。通过x a n e s 也能发现植物组织中存在 c e 0 2e n p s 。因而，相对于z n oe n p s ，c e 0 2e n p s 能导致更显著的基因毒性。 t i 0 2e n p s 也能引起植物细胞毒性和基因毒性。g h o s h 等( 2 0 1 0 ) 通过彗星 实验和d n a 梯技术证实t i 0 2e n p s 能引起洋葱的基因毒性。在洋葱中发现染色 体畸变及断裂等现象，其基因和细胞毒性与植物超氧化物激发，导致洋葱细胞脂 质过氧化有关。 目前，有关金属纳米颗粒对植物的细胞毒性的研究仅有对a g 和f ee n p s 的 研究。在洋葱根的分生组织中，a g e n p s 能引起有丝分裂减退、畸变等现象( b a b u ， 2 0 0 8 ；k u m a r i 等，2 0 0 9 ) 。b a b u 等( 2 0 0 8 ) 发现浓度及暴露时间是导致a ge n p s 对洋葱根分生组织有丝分裂指数降低的原因。不同浓度下，a ge n p s 能引起洋葱 细胞不同程度的染色体畸变，如黏着性、染色体断裂、破坏中期分裂及细胞壁分 解等。尽管a ge n p s 对植物的基因毒性已有一些研究，但其致毒机理还不清楚， 且a ge n p s 对植物的毒性究竟是来源于e n p s 本身还是释放的离子还有待于进一 步证实。 水溶性的、包覆高氯酸的磁性纳米颗粒( 5 0 3 0 0g ll 。) 能降低玉米细胞的 核酸，并一定程度上抑制生物合成( r a c u c i u 和c r e a n g 鑫，2 0 0 9 a ) 。r f i c u c i u 和 c r e a n g a ( 2 0 0 9 b ) 发现磁流体可能穿透细胞核膜，核内d n a 是磁性流体的主要 作用位点。磁性纳米颗粒还能引起染色体畸变及干扰细胞增殖能力。 总之，植物基因毒性及细胞毒性是由人工纳米颗粒本身还是其在植物体内生 物转运过程中导致其他系列反应引起的还不是很清楚。更多的研究应该集中于探 9 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 讨金属纳米颗粒植物毒性是否来源于纳米颗粒相对应的大颗粒、培养介质或植物 体中纳米颗粒释放的离子等。另外，不同纳米颗粒对不同植物类型产生不同毒性 的原因也不清楚，也是今后研究的重点。 1 4 人工纳米颗粒在植物体内的吸收、迁移及转运 1 4 1 植物对人工纳米颗粒的吸收及转运 纳米颗粒进入植物体之前，首先要穿过植物细胞壁，细胞壁孔径为5 2 0n r n ( f l e i s c h e r 等，1 9 9 9 ) 因而小于细胞壁孔径的纳米颗粒比较容易穿过细胞壁，到 达细胞膜。一些大于细胞壁孔径的人工纳米颗粒可能与细胞壁作用，在细胞壁生 形成一个较大的孔，进而进入细胞中。 植物对e n p s 的吸收、转运及蓄积依赖于植物种类，e n p s 粒径大小、类型、 化学组成、官能团及纳米颗粒的稳定性。对于含碳纳米颗粒，只有c ，。和富勒醇 能在植物体内蓄积( l i n 等，2 0 0 9 ) 。而大部分金属类e n p s 能被植物吸收并在植 物体内蓄积。 ( 1 ) 含碳纳米颗粒 随着c n t s 作为载体广泛应用于分子生物学、基因、药物等方面，近年来对 植物吸收c n t s 的研究也越来越受到重视。s h e n 等( 2 0 1 0 ) 发现s w c n t s 可以 通过内吞作用进入拟南芥叶细胞原生质内。用异硫氰酸荧光素( f i t c ) 标记的 水溶性s w c n t s ( 长度 5 0 0r i m ) 也能通过内吞作用穿过烟草细胞( b y - 2 ) 的细 胞膜，而f i t c 单独作用不能进入烟草细胞中( l i n 等，2 0 0 9 ) 另外，也有研究证 明m w c n t s 能被番茄种子吸收并进入到植物幼苗中( k h o d a k o v s k a y a 等，2 0 0 9 ) 尽管已有对植物吸收碳纳米管的报道，但是还没有确切证据证明碳纳米管是否会 从植物的根系转运到其他组织中。疏水性的m w c n t s 使其具有与其他有机物作 用的可能( y a n g 等，2 0 0 6 ) 。但是很低的表面摩擦力使c n t s 更利于有机物进入 细胞质中( w h i t b y 等，2 0 0 7 ) 。碳纳米管的这种性质常被用作植物提取。m a 和 w a n g ( 2 0 10 ) 发现浓度为1 5m gl - 1 的c 6 0 使三角叶杨( p o p u l u sd e l t o i d e s ) 对三氯 乙烯的吸收增加了8 2 。 相反的，c a f l a s 等( 2 0 0 8 ) 发现s w c n t s 及功能化的s w c n t s ( f s w c n t s ) 1 0 c u o 纳米颗粒的植物毒性及在玉米体内的长距离运输 暴露4 8 h 后不能被黄瓜吸收，而能粘附在黄瓜的根上。t a n 等( 2 0 0 9 ) 研究发现 水稻悬浮细胞的细胞壁能阻碍m w c n t s 进入细胞质中。m w c n t s 能形成黑色团 聚体包裹在细胞周围( t a n 等，2 0 0 9 ) ，随着浓度的增加，团聚体的大小和数量 也增加。c n t s 与细胞壁上的蛋白质和多糖相互作用，由于其粒径小使其类似植 物病原体，攻击植物细胞，最终导致细胞死亡( 等，2 0 0 9 ；l i n 等，2 0 0 9 ) 。 这个假说也是m w c n t s 难以进入植物细胞壁的原因。 植物吸收c n t s 也依赖于c n t s 在实验介质中的分散性。天然生态系统中， 植物吸收碳纳米颗粒也与土壤、沉积物等