人工纳米颗粒TiO2对玉米幼苗生长的影响

闫 慧，余显显，蔡林林，解丹丹，宋依萍

(许昌学院 城市与环境学院，河南 许昌 461000)

人工纳米颗粒是指人工合成的组成相或晶粒结构至少有一维尺寸在1～100 nm之间的微型颗粒，主要包括含碳纳米颗粒物、单质金属纳米颗粒物、金属氧化物纳米颗粒物及量子点等类型.与天然纳米颗粒相比，人工纳米颗粒具有粒径均匀、结构统一、成分固定等特点，被广泛应用于电子工程、生物医药、材料科学和环境修复等领域[1].人工纳米颗粒被排放可能引起的环境风险受到广泛关注[2,3].人工纳米颗粒可以对高等植物产生毒性、抑制生物生长、造成机体损伤[4].其毒性机制是纳米颗粒会引起生物的氧化应激反应和脂质过氧化，降低抗氧化酶活性，导致细胞膜破坏和细胞死亡，而且毒性与纳米材料的组成和形状有关[5].人工纳米颗粒还能够在生物体内发生富集[6-7]，已被列为新型环境污染物[8].目前人工纳米颗粒对环境的影响研究多为实验室下针对水体环境的模拟研究[9].对实际土壤环境中人工纳米颗粒环境行为及其毒性的研究却较少.因此，通过土培实验，分析人工纳米TiO2颗粒对玉米幼苗生物量、根系形态及抗氧化酶活性的影响，以期认识土壤环境下人工纳米TiO2颗粒的环境行为及其对作物的毒性.

1 材料与方法

1.1 实验设计

玉米品种选择综合性好、抗病性强、区域种植较广的宛玉868.选用许昌市城郊农田土壤，挑出土壤中根茎、杂草、石砾等杂质，用玻璃棒将人工纳米TiO2颗粒按照6个浓度与土壤进行充分混合，分别为0、100、500、1 000、2 000、4 000 mg/kg，置于背阴处静置老化约一年，以使纳米TiO2颗粒与土壤充分融合.将含人工纳米TiO2颗粒的样土放置于黑色塑胶花盆中，移至苗木培养实验室，浇透水后，每份样土种下3粒籽粒饱满、色泽均匀的玉米种子，控制温度为恒温25 ℃，光照为昼夜12 h/12 h.

1.2 实验方法

待玉米生长22 d后，将土壤和玉米幼苗一起浸入水中，待土壤脱落后取出完整的玉米幼苗，用蒸馏水洗净后，用吸水纸吸干水分，分别称其根和地上部分的鲜重.利用根系扫描仪分析玉米幼苗的根长、根表面积、根体积和根尖数等根系形态参数.根部和叶片中过氧化物酶(POD)利用愈创木酚法测定，丙二醛(MDA)含量利用硫代巴比妥酸法测定.

2 结果与讨论

2.1 人工纳米TiO2对玉米幼苗生物鲜重的影响

图1为不同浓度处理下玉米幼苗生物鲜重情况.可以看出土壤中添加TiO2，玉米幼苗生物鲜重显著提高，玉米幼苗的生长受到了明显的促进作用，但根部和叶片存在差异.与空白相比，幼苗根部鲜重呈现升高变化，在1 000 mg/kg的TiO2样土中生长的玉米幼苗的根部鲜重升高最大，是对照组的671%；而在2 000 mg/kg、4 000 mg/kg样土中生长的玉米幼苗根部鲜重分别是对照组的400%和336%，表明土壤中人工纳米TiO2颗粒在一定浓度范围内，可以促进作物根部的生长.当浓度过高时，促进能力下降.这与文献[5]的研究结果基本一致，即低浓度TiO2可以促进种子萌发和植株生长，而高浓度TiO2会抑制植物生长.

图1 人工纳米TiO2对玉米幼苗鲜重的影响

玉米幼苗叶片鲜重则持续升高，表明人工纳米TiO2颗粒对玉米幼苗叶片具有明显的促进作用，在1 000 mg/kg的TiO2样土中生长的玉米叶片鲜重升高最大，是对照组的393%.其原因可能是TiO2纳米颗粒可以提高某些酶的活性，促进硝酸盐的吸收和硝酸盐向有机氮的转化[10].人工纳米颗粒对植物叶片造成的伤害是通过根部传递到叶片的，所需时间与根相比会滞后[11].玉米幼苗根部和叶片在鲜重变化上的差异，可能也是由于根部率先接触到纳米材料，受其毒性作用影响比叶部要大[6].

2.2 人工纳米TiO2对玉米幼苗根系形态的影响

表1为玉米幼苗根系形态的变化情况.随着纳米TiO2浓度的升高，除根直径没有变化外，根长、根表面积、根体积和根尖数均为先升高后降低，根系形态数据的最高值在1 000 mg/kg浓度值.此时，根长、根表面积、根体积和根尖数分别是对照组的488%、423%、378%和300%，表明人工纳米TiO2颗粒在一定浓度下对根系生长有显著促进作用，而超过一定浓度界限后，TiO2对根系生长的促进能力下降.其原因是钛元素对植物生长具有激素效应，并能将内源激素向根部运输，促进根系的生长[10].而且纳米颗粒TiO2的植物毒性与自身特性有关，随着TiO2浓度的升高，其对植株根系的根长、根表面积、根尖数的抑制作用增大[6].

表1 TiO2影响下玉米幼苗根系形态数据

2.3 人工纳米TiO2对玉米幼苗抗氧化酶活性的影响

纳米颗粒在接触生物体时，细胞会生成大量的活性氧，使生物体处于氧化应激状态，这可能是纳米材料生物毒性的机理之一[6].过氧化物酶(POD)能够清除植物体内产生的H2O2，防止膜脂质过氧化作用，因此，植物体内POD活性的高低可表明植物体内H2O2含量的高低以及植物是否处于氧化应激态.

图2为人工纳米TiO2对玉米根和叶片中POD酶活性的影响.对照组中由于根部样品量过少，且没有POD数据.其他组中根的POD酶活性先升高后降低，在TiO2浓度为2 000 mg/kg时，根的POD酶活性达到最大.叶中POD酶活性先升高后降低，在TiO2浓度为500 mg/kg时，POD酶活性达到最高.高浓度组中根部和叶片的POD酶均显著降低，说明高浓度下根部和叶片组织POD酶活性没有被激活，这可能是由于植株已遭受严重氧化损伤.这也是在养殖观察中发现高浓度组别植株叶片枯萎变黄的原因.

图2 人工纳米TiO2对玉米根和叶片中POD酶活性的影响

2.4 人工纳米TiO2对玉米幼苗脂质过氧化的影响

当植物遭受严重的氧化胁迫时，植物体内的活性氧会不断累积.当超过抗氧化系统的清除能力时，导致植物体内细胞膜发生膜脂质过氧化，使体内脂质过氧化物含量增加，如二烯轭合物、脂类过氧化物、丙二醛、乙烷等，而丙二醛(MDA)是这一过程最重要的产物之一[1].因此可通过测定MDA含量了解植物遭受氧化胁迫作用的程度.

图3为人工纳米TiO2对玉米根和叶片中MDA含量的影响.总体来说，根部和叶片中MDA的含量与空白相比,各组别间的变化均不大.但在高浓度组别中MDA含量在升高，尤其是在叶片中更为明显，在2 000、4 000 mg/kg样土中生长的玉米幼苗叶片MDA含量分别是对照组的153%和131%.这与POD酶活性结果是一致的.

图3 人工纳米TiO2对玉米根和叶片中MDA含量的影响

3 结论

随着土壤中TiO2浓度的升高，玉米幼苗的生物鲜重显著提高，玉米幼苗的生长受到了明显的促进作用，但根部和叶片存在差异.玉米幼苗根部的鲜重先升高后降低，在1 000 mg/kg的TiO2样土中生长的玉米幼苗的根部鲜重升高最大，而叶片鲜重则持续升高.

根长、根表面积、根体积和根尖数等根系形态参数先升高后降低，拐点大致在TiO2浓度为500 ～1 000 mg/kg.表明人工纳米TiO2颗粒在一定浓度下对根系生长有显著促进作用，而超过一定浓度界限后，TiO2对根系生长的促进能力下降.

玉米幼苗POD酶活性也先升高后降低，在TiO2浓度为500 mg/kg时，叶片POD酶活性达到最高，高浓度组中的POD酶均显著降低，而MDA含量在升高.这说明随着TiO2浓度升高，玉米幼苗受到的氧化胁迫在升高，而超过一定浓度后，植株遭受严重氧化损伤.