氮掺杂碳纳米颗粒对油菜种子萌发的影响

胡伟 向言词 向建华 周练 陈燕

摘要    为明确氮掺杂碳纳米颗粒（N-CNPs）对油菜种子萌发和生长的影响，采用室内种子发芽试验，对比分析不同氮掺杂水平碳纳米颗粒处理后油菜种子发芽率、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的差异。结果表明，氮掺杂碳纳米颗粒（N-CNPs）能有效提升油菜种子的发芽率，在培养至第5天时，低氮、中氮和高氮掺杂量碳纳米颗粒处理后的油菜种子发芽率分别较不施用氮掺杂碳纳米颗粒对照处理提升了10.76%、5.83%和7.31%，差异达到显著水平。高氮掺杂量碳纳米颗粒处理（N-CNPs3）油菜种子胚芽中SOD酶活性在培养至第3天时，达到0.179 U/g FW，增幅达到67.29%;第4天时，CAT酶活性增幅达到了53.04%，均显著高于不施用氮掺杂碳纳米颗粒对照处理。但培养至第7天时，不同氮掺杂量碳纳米颗粒处理油菜种子胚芽中SOD酶和CAT酶活性与不施用氮掺杂碳纳米颗粒对照处理无显著差异。由此表明，以0.5‰氮掺杂碳纳米颗粒混悬液处理油菜种子不会对其萌发过程造成不可逆的伤害，不具有明显的生态毒性。

关键词    油菜;氮掺杂碳纳米粒子;种子萌发;抗氧化酶;生态毒性

中图分类号    S565.4        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）21-0017-03                                                开放科学（资源服务）标识码（OSID）

氮掺杂碳纳米颗粒能有效降低土壤中的硝态氮含量，提高氮肥的表观利用率，对土壤中主要硝化菌群也有明显的抑制作用[1]，氮掺杂碳纳米颗粒还能促进油菜苗期的生长和氮素的積累，改善油菜叶片氮素代谢酶活性[2]，在氮肥增效和油菜增产提质方面表现出了较高的研究价值。因此，进一步评估氮掺杂碳纳米材料对油菜植株的毒性大小是推动其农业应用的必要环节。已有研究表明，在植物生长过程中，金属纳米颗粒能抑制大多数植物的萌发和根芽生长，在低浓度下即可表现出毒性，毒性大小或与纳米颗粒的尺寸和体积相关[3]。但也有研究结果显示，适宜浓度的纳米ZnO颗粒能促进绿豆芽的生长[4];在细胞水平上，金属纳米颗粒也表现出了比较明显的毒性，如纳米ZnO颗粒严重影响黑麦草根的形态和结构，包括根尖收缩、表皮和根冠破坏、皮层细胞高度空泡化[5];对于不同种类金属纳米颗粒能对植物的生长发育产生不同水平的生态毒性效应已无异议，其毒性大小受作物种类、纳米颗粒类型、暴露时间和剂量等因素影响，但针对碳纳米颗粒及其改性材料的植物生态毒性研究报道则鲜有报道。李小康等[6]研究发现，碳纳米颗粒在动物生态毒性效应方面与纳米氧化锌、纳米二氧化硅一样对MEF细胞增殖产生抑制作用和对细胞膜完整性产生损伤作用，其毒性效果均随染毒剂量的升高而增强，具有明显的剂量-效应关系。因此，本文以不同氮掺杂量碳纳米粒子为研究对象，通过室内种子培养试验探讨氮掺杂碳纳米粒子对油菜种子萌发的影响，明确氮掺杂碳纳米粒子对油菜生长发育的生态毒性效应。以期为氮掺杂碳纳米粒子的农业安全应用提供参考。

1    材料与方法

1.1    供试材料

氮掺杂碳纳米颗粒（N-CNPs）由湖南科技大学物理学院提供，将2 g柠檬酸和尿素按质量比5∶1（低氮掺杂量）、1∶1（中氮掺杂量）和1∶2（高氮掺杂量）分别溶解于20 mL去离子水中。置于微波炉中（功率700 W）加热4 min，获得棕黑色固体，60 ℃烘干1 h，去除残留小分子，烘干的固体溶于100 mL去离子水，经3 000 r/min离心20 min取上清液烘干后得到不同氮掺杂量碳纳米颗粒[7]。供试油菜品种为湘油15号。

1.2    试验设计

本试验设4个处理，分别为不施用氮掺杂碳纳米颗粒（CK）、低氮掺杂量碳纳米颗粒（氮掺杂量1.2%，N-CNPs1）、中氮掺杂量碳纳米颗粒（氮掺杂量6.7%，N-CNPs2）、高氮掺杂量碳纳米颗粒（氮掺杂量9.3%，N-CNPs3），3次重复。称取0.5 g氮掺杂碳纳米颗粒与1 L纯净水混合制备成0.5‰氮掺杂碳纳米颗粒混悬液备用。选用1 200粒成熟饱满的湘油15号油菜种子，随机分成12组，每个培养皿放置100粒。用0.1%硫酸铜消毒10 min，接着用0.1%高锰酸钾溶液浸泡种子消毒30 min。用蒸馏水漂洗种子2次后放入事先消毒的双层滤纸上（0.7 mL溶液），按处理设置加入20 mL氮掺杂碳纳米颗粒混悬液，22 ℃培养7 d，每天喷洒纯净水保持湿润。分别于第3、4、5、6、7天观测各处理种子发芽率，同时从已发芽的的种子中选取2 g鲜胚芽测定过氧化氢酶活性和超氧化物歧化酶活性。

1.3    数据处理

采用Excel 2007和SPSS 13.0软件对试验数据进行处理与作图，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比较（Duncan）对试验数据组间进行差异性比较（P<0.05）。

2    结果与分析

2.1    种子发芽率

由表1可知，氮掺杂碳纳米颗粒能提高油菜种子的发芽率，缩短油菜种子出芽周期，且不同氮掺杂水平碳纳米颗粒对油菜种子发芽率的影响存在差异。培养后的第3天时，3种不同氮掺杂水平碳纳米颗粒处理后的油菜种子发芽率较CK分别增加了5.18、0.17、2.95个百分点，其中低掺杂量碳纳米颗粒（N-CNPs1）处理发芽率与CK差异达到显著水平。各处理间种子发芽率差异在培养第5天时达到最大值，低、中和高氮掺杂量碳纳米颗粒处理后的油菜种子发芽率分别较CK提升了10.76%、5.83%、7.31%，均显著高于CK。到培养第7天时，各处理种子发芽率均超过95%，氮掺杂碳纳米颗粒处理后的种子发芽率虽高于CK，但差异不显著。提升氮掺杂水平能影响油菜种子发芽率，在培养的第3、4、5天，低氮掺杂量碳纳米颗粒处理（N-CNPs1）油菜种子发芽率显著高于中、高量氮掺杂水平碳纳米颗粒处理（N-CNPs2和N-CNPs3），而在培养的第6天和第7天，低氮掺杂量碳纳米颗粒处理（N-CNPs1）油菜种子发芽率反而低于其他氮掺杂碳纳米颗粒处理。