生態(tài)毒理學(xué)報(bào) Asian Journal of Ecotoxicology 第15卷第1期2020年2月 Vol 15 No 1 Feb 2020 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金重大國際合作交流項(xiàng)目 41120134004 青島市博士后應(yīng)用項(xiàng)目 861605040062 作者簡介 徐亞楠 1989 女 碩士研究生 研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境生態(tài)學(xué) E mail yanango 通訊作者 Corresponding author E mail linaxu0806 DOI 10 7524 AJE 1673 5897 20190711001 徐亞楠 徐立娜 石墨烯對高等植物幼苗的毒性及機(jī)理探究 J 生態(tài)毒理學(xué)報(bào) 2020 15 1 220 229 Xu Y N Xu L N Phytotoxicity of graphene to higher plants seedlings and its mechanisms J Asian Journal of Ecotoxicology 2020 15 1 220 229 in Chinese 石墨烯對高等植物幼苗的毒性及機(jī)理探究 徐亞楠1 徐立娜2 1 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島266100 2 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院 青島266100 收稿日期 2019 07 11 錄用日期 2019 10 09 摘要 隨著石墨烯產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用和潛在的環(huán)境釋放 其對生態(tài)環(huán)境的影響已引起廣泛關(guān)注 為探討石墨烯對高等植物生長 的影響 探究了其對黃瓜幼苗和玉米幼苗生長的影響及其致毒機(jī)理 結(jié)果表明 水培條件下 不同濃度的石墨烯 10 50 100 500 1 000和2 000 mg L 1 處理植物幼苗15 d后 對植物幼苗的生長具有抑制作用 且隨著處理時間和石墨烯濃度的增加 植物幼苗生長的所有指標(biāo) 包括根 地上部鮮重和干重 根長 根尖數(shù) 株高和葉面積均相應(yīng)降低 另外 黃瓜幼苗比玉米幼苗 對石墨烯更加的敏感 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn) 石墨烯與黃瓜幼苗根部直接接觸導(dǎo)致的物理損傷 氧化損傷 以及營養(yǎng)耗竭是其致 毒機(jī)理 而石墨烯對玉米幼苗的致毒機(jī)理包括物理損傷和營養(yǎng)耗竭 本研究為石墨烯的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 關(guān)鍵詞 石墨烯 植物幼苗 植物毒性 物理損傷 營養(yǎng)耗竭 文章編號 1673 5897 2020 1 220 10 中圖分類號 X171 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A Phytotoxicity of Graphene to Higher Plants Seedlings and Its Mechanisms Xu Yanan1 Xu Lina2 1 Ministry of Education Key Laboratory of Marine Environment and Ecology Ocean University of China Qingdao 266100 China 2 College of Landscape Architecture and Forestry Qingdao Agricultural University Qingdao 266100 China Received 11 July 2019 accepted 9 October 2019 Abstract With the extensive application and potential release of graphene materials the negative effects of gra phene have attracted great attention To investigate the effects of graphene on the growth of higher plants toxicity and related mechanisms of graphene on cucumber and maize seedlings were studied After exposure to graphene 10 50 100 500 1 000 and 2 000 mg L 1 for 15 days under hydroponic conditions the growth of the seedlings was inhibited In addition all the growth indexes including root shoot fresh weight and dry weight root length number of root tips plant height and leaf area were also inhibited and the negative effects were concentration and time dependent It was noted that cucumber seedlings were more sensitive to graphene than maize seedlings Fur thermore physical damage nutrient depletion and oxidative stress were the main toxic mechanisms for graphene on cucumber seedlings While the toxicity mechanisms of graphene on maize seedlings were physical damage and nutrient depletion This study provided useful information for risk assessment of graphene in environment Keywords graphene plant seedlings phytotoxicity physical damage nutrient depletion 第1期徐亞楠等 石墨烯對高等植物幼苗的毒性及機(jī)理探究221 石墨烯 graphene 是一種重要的二維碳納米材 料 具有非常穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu) 1 2 近年來 石墨烯依 靠本身獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì) 3 光學(xué)性質(zhì) 4 機(jī)械性能 5 及 巨大的比表面積 6 在電池 電子設(shè)備 生物醫(yī)藥 材 料和儲能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 7 8 隨著石墨烯材料 及其相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn) 儲存 運(yùn)輸 使用 清理和廢棄 等過程 石墨烯不可避免地會釋放到環(huán)境中 對生態(tài) 環(huán)境產(chǎn)生一定的威脅 9 因此 了解石墨烯材料的健 康和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對石墨烯材料的安全應(yīng)用至關(guān)重要 植物作為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者 其多樣性對 生態(tài)系統(tǒng)的平衡至關(guān)重要 目前已有諸多研究表 明 石墨烯材料對植物生長存在毒性效應(yīng) 例如 Begum等 10 通過研究石墨烯對卷心菜 番茄和紅莧 菜幼苗生長的影響 發(fā)現(xiàn)石墨烯能夠抑制植物生長 并對植物根部產(chǎn)生物理損傷及氧化損傷 Hao等 11 的研究表明 還原氧化石墨烯對水稻莖高和根長產(chǎn) 生抑制效應(yīng) 并顯著降低根皮質(zhì)細(xì)胞直徑 導(dǎo)致細(xì)胞 收縮變形 Zhang等 12 研究了石墨烯對番茄幼苗生 長的影響 結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨烯能夠滲透入液泡及在根 尖沉積 從而抑制生物量的積累 然而 也有文獻(xiàn)表 明 石墨烯對植物生長具有促進(jìn)作用 例如 通過調(diào) 節(jié)赤霉素 GA 的生物合成促進(jìn)幼苗根和莖的生 長 12 綜上所述 關(guān)于石墨烯植物毒性的研究還存 在爭議 并且 石墨烯對單子葉植物和雙子葉植物 影響的研究還較為缺乏 黃瓜和玉米是典型的雙子葉和單子葉植物 其 作為廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物 已被廣泛地用作納米顆 粒的毒理學(xué)研究 但目前關(guān)于石墨烯對黃瓜和玉米 幼苗毒性效應(yīng)的研究尚未有報(bào)道 基于此 本文以 雙子葉子植物黃瓜和單子葉植物玉米作為受試植 物 采用營養(yǎng)液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究石墨烯對植物幼苗生 長的影響 并探究其對植物生長產(chǎn)生抑制的機(jī)理 為 石墨烯的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 1 材料與方法 Materials and methods 1 1 石墨烯的特性表征 實(shí)驗(yàn)采用的石墨烯購于美國石墨烯公司 Amer ican Graphene Supermarket Co Ltd 純度 99 9 將5 mg石墨烯懸浮于100 mL無水乙醇中 利用超 聲清洗機(jī)超聲分散 100 W 40 kHz 1 h 取配制的 溶液滴加到銅網(wǎng)上 自然風(fēng)干 利用透射電子顯微鏡 TEM JEM 2100 JEOL 日本 觀察石墨烯的形態(tài) 取配制的溶液滴加到云母載玻片上 自然風(fēng)干 使用 原子力顯微鏡 AFM Agilent5400 Agilent Technolo gies Co 美國 觀察并分析石墨烯的厚度 稱取5 mg干燥的石墨烯樣品過60目篩 利用元素分析儀 Vario Elemental Analyzer Elementar 德國 測定碳 C 氧 O 硫 S 氫 H 和氮 N 元素的含量 利用 傅立葉紅外光譜儀 FTIR Nicolet6700 Thermo Fisher Scientific Inc 美國 測量石墨烯表面含有的 官能團(tuán) 利用全自動物理化學(xué)吸附儀 Autosorb 1 Quantachrome 美國 使用Brunauere Emmette Teller BET 方法測得石墨烯的比表面積 稱取5 mg石墨 烯 分別加入到100 mL蒸餾水 1 4單子葉營養(yǎng)液 和1 4雙子葉營養(yǎng)液中 調(diào)節(jié)pH值在6 5 7 0之 間 超聲分散1 h 制備成50 mg L 1的石墨烯懸浮 液 利用粒度分析儀 Zetasizer Nano ZS90 Malvern Instruments Ltd 英國 測量其Zeta電位 配制2 000 mg L 1石墨烯懸浮液 黑暗中靜置7 d后10 000 r min 1條件下高速離心 用0 22 m一次性針頭濾器 聚醚砜 PES 膜 美侖 過濾 之后利用電感耦合等離 子體質(zhì)譜 ICP MS Agilent 7500 Agilent Technolo gies 美國 測定濾液中石墨烯釋放的離子濃度 用蒸 餾水作為對照 1 2 植物幼苗培養(yǎng)及處理方法 實(shí)驗(yàn)所用的黃瓜和玉米種子購于山東省青島市 城陽種子站 種子的發(fā)芽率大于90 挑選大小一 致 顆粒飽滿的黃瓜和玉米種子 用10 H2O2對種 子進(jìn)行消毒10 min 蒸餾水沖洗3遍 將種子放置到 鋪有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中發(fā)芽 7 d后選擇長勢一致 的黃瓜幼苗和玉米幼苗分別移入培養(yǎng)盆中 分別加入 1 4雙子葉營養(yǎng)液 K2SO4 32 68 mg L 1 Ca NO3 2 118 08 mg L 1 MgSO4 7H2O 40 05 mg L 1 KH2PO4 8 51 mg L 1 KCl 1 86 mg L 1 Fe EDTA 10 53 mg L 1 MnSO4 H2O 0 042 mg L 1 CuSO4 5H2O 0 006 mg L 1 ZnSO4 7H2O 0 072 mg L 1 NH4 6Mo7O24 0 015 mg L 1 H3BO3 0 154 mg L 1 和1 4單子葉營養(yǎng)液 K2SO4 32 68 mg L 1 Ca NO3 2 118 08 mg L 1 MgSO4 7H2O 40 05 mg L 1 KH2PO4 8 51 mg L 1 KCl 1 86 mg L 1 Fe EDTA 10 53 mg L 1 MnSO4 H2O 0 042 mg L 1 CuSO4 5H2O 0 006 mg L 1 ZnSO4 7H2O 0 072 mg L 1 NH4 6Mo7O24 0 015 mg L 1 H3BO3 0 015 mg L 1 每天光照12 h 光照強(qiáng)度16 500 lx 20 25 15 20 白天 夜晚 濕度保持在60 70 左右 持續(xù)曝氣 植物幼苗在長至兩葉一心時 進(jìn)行 石墨烯暴露處理 實(shí)驗(yàn)設(shè)置了7個不同的處理組 222 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)第15卷 即去離子水空白對照 CK 與10 50 100 500 1 000 和2 000 mg L 1石墨烯處理 每個處理均設(shè)置5個 重復(fù) 每隔5 d更換一次營養(yǎng)液 并重新加入石墨 烯懸浮液 處理時間持續(xù)15 d 每隔3 d從每個處 理組里面選取5棵長勢一致的植物 測量株高 用全 自動根系掃描分析儀 WinRHIZO Pro 2005b 加拿 大 掃描 分析根長 根尖數(shù)和葉面積 用電子天平稱 量鮮重 將植物放入105 的烘箱中進(jìn)行殺青處理 再放置到65 烘箱中進(jìn)行24 h烘干 之后稱量植物 的干重 根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制植物生長曲線 1 3 物理損傷測定 取1 000 mg L 1石墨烯處理過的黃瓜和玉米幼 苗的根部 用蒸餾水沖洗干凈 用pH 7 2的磷酸緩 沖液 PBS 沖洗2次 將根系分散于2 5 的戊二醛 中固定12 h 然后再用PBS沖洗3次 加入戊二醛 中二次固定 乙醇分級脫水 叔丁醇包埋 冷凍干燥 噴金處理 利用掃描電子顯微鏡 SEM S 4800 Hita chi 日本 進(jìn)行觀察 1 4 氧化損傷測定 取1 000 mg L 1石墨烯處理15 d的新鮮植物 幼苗 按照1 9的體積比加入生理鹽水 冰浴條件下 用勻漿機(jī)進(jìn)行勻漿 取上清液 采用2 7 二氯熒 光黃雙乙酸鹽 DCFH DA 探針測量植物體內(nèi)產(chǎn)生 的氧自由基 ROS 含量 采用硫代巴比妥酸反應(yīng)產(chǎn) 物 TBARS 測定丙二醛 MDA 利用酶標(biāo)儀 Multi skanFC Thermo Fisher Scientific Inc 美國 在532 nm處測定吸收峰 計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)物 1 5 營養(yǎng)耗竭實(shí)驗(yàn) 稱取0 05 g石墨烯加入50 mL 1 4雙子葉營養(yǎng) 液或者1 4單子葉營養(yǎng)液 pH 6 5 7 0 超聲分散 配制成1 000 mg L 1石墨烯懸浮液 放置在黑暗環(huán) 境中5 d 5 d后高速離心 10 000 r min 1 分離 用 0 22 m一次性針頭濾器過濾 利用ICP MS測定營 養(yǎng)液中的離子濃度 用蒸餾水作為對照 并用凱氏 定氮儀測定溶液中總氮含量 利用鉬酸銨分光光度 法測定營養(yǎng)液中總磷含量的變化 在營養(yǎng)液中加入石墨烯 石墨烯的濃度分別為 50 100 500和1 000 mg L 1 將營養(yǎng)液放置5 d 過 濾取其上清液 利用上清液培養(yǎng)植物 每5天換一次 營養(yǎng)液 植物培養(yǎng)15 d后 測量植物株高 地上部 根部鮮重和干重 根長 根尖數(shù)以及葉面積參數(shù) 1 6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法 所有處理至少有3個重復(fù) 結(jié)果顯示為平均值 標(biāo)準(zhǔn)偏差 SD 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用Microsoft Excel 2013軟件 利用DPS12 5軟件中的單因素方 差分析 Analysis of Variance ANOVA LSD檢驗(yàn)法 進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn) P 0 05 2 結(jié)果 Results 2 1 石墨烯的特性表征 TEM圖 圖1 a 顯示石墨烯是多層片狀結(jié)構(gòu) 表面有褶皺 邊緣鋒利 采用AFM對石墨烯的形 貌進(jìn)行了表征 由圖1 b 可以看出石墨烯的厚度在 2 0 nm左右 石墨烯的比表面積是124 6 m2 g 1 石墨烯在1 4雙子葉營養(yǎng)液和1 4單子葉培養(yǎng)營養(yǎng) 液中的Zeta電位值相近 分別是 16 93 0 55 和 14 17 1 01 石墨烯的主要元素是C O S H和 N 含量分別為92 17 5 17 1 28 0 56 和 0 28 FTIR圖譜分析發(fā)現(xiàn)石墨烯主要含有4種 官能團(tuán) 分別為OH C C C H和C N 石墨 烯釋放的離子主要是Mg Mn和P 表1 但是這些 離子濃度都是在植物的耐受范圍內(nèi) 并不會對植物 的生長產(chǎn)生危害 圖1 石墨烯 a 透射電子顯微鏡 TEM 照片和 b 原子力顯微鏡 AFM 照片 Fig 1 a Transmission Electron Microscope TEM image of graphene sheets b Atomic Force Microscopy AFM image of graphene sheets 第1期徐亞楠等 石墨烯對高等植物幼苗的毒性及機(jī)理探究223 2 2 石墨烯對黃瓜和玉米幼苗的毒性效應(yīng) 在營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下 不同濃度的石墨烯 0 10 50 100 500 1 000和2 000 mg L 1 懸浮液處理 植物15 d后 黃瓜和玉米生長的各參數(shù)的變化曲線 分別如圖2和圖3所示 石墨烯能夠抑制植物幼苗 的生長 且隨著石墨烯濃度以及暴露時間的增加 對 黃瓜和玉米幼苗的毒性也明顯增強(qiáng) 對于黃瓜幼 苗 在第15天 2 000 mg L 1石墨烯處理組與對照 組相比 根部鮮重和干重都減少了86 圖2 a 和圖 2 b 地上部鮮重和干重分別減少了77 圖2 c 和76 圖2 d 對于玉米幼苗 2 000 mg L 1石墨 烯處理組與對照組相比 根鮮重和干重分別減少了 40 圖3 a 和33 圖3 b 其地上部生物量沒有 發(fā)生顯著性變化 圖3 c 和圖3 d 與對照相比 石 墨烯處理顯著降低了根長和根尖數(shù)以及株高和葉面 積 且抑制效應(yīng)也都存在著時間和濃度效應(yīng) 圖2 石墨烯對黃瓜幼苗的影響 Fig 2 Effects of graphene on the growth of cucumber seedlings 224 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)第15卷 2 000 mg L 1石墨烯處理植物幼苗15 d 黃瓜根 長 根尖數(shù) 株高和葉面積分別減少了90 圖2 e 84 圖2 f 36 圖2 g 和72 圖2 h 玉米根 長 根尖數(shù) 株高和葉面積分別減少了33 圖3 e 36 圖3 f 7 8 圖3 g 和29 圖3 h 以上實(shí) 驗(yàn)結(jié)果表明 與玉米幼苗相比 黃瓜幼苗對石墨烯更 加敏感 2 3 物理損傷 石墨烯具有鋒利的邊緣 與植物根系接觸可能 會對植物造成物理損傷 使用SEM觀察黃瓜和玉 米根系 圖4和圖5 發(fā)現(xiàn) 石墨烯處理過的黃瓜 圖4 b 根冠有明顯的切割傷痕 未處理的黃瓜成熟區(qū) 圖4 c 表面光滑 有根毛 石墨烯處理過的黃瓜成 熟區(qū) 圖4 d 表面有明顯的切割痕跡 這說明 石墨 圖3 石墨烯對玉米幼苗生長的影響 Fig 3 Effects of graphene on the growth of maize seedlings 第1期徐亞楠等 石墨烯對高等植物幼苗的毒性及機(jī)理探究225 烯能夠通過切割作用對植物幼苗根系造成直接的物 理損傷 Begum等 10 在研究中觀察到石墨烯對卷 心菜 番茄 紅莧菜和生菜根部造成物理損傷 出現(xiàn) 表皮脫落的現(xiàn)象 對于玉米幼苗 未處理的玉米幼 苗根部較細(xì) 根冠和根成熟區(qū)較為光滑 圖5 a 和圖 5 c 與對照相比 1 000 mg L 1石墨烯處理過的玉 米根冠 圖5 b 和成熟區(qū) 圖5 d 變粗受損 表1 石墨烯懸浮液釋放的離子 Table 1 Ions released of graphene suspension 釋放離子 Released ions 石墨烯濃度 Graphene concentration 0 mg L 1 1 000 mg L 1 K mg L 1 0 22 0 10 0 41 0 16 Ca mg L 1 0 30 0 14 0 39 0 12 Na mg L 1 0 80 0 043 1 01 0 15 Mg mg L 1 0 07 0 03 0 14 0 02 Mn mg L 1 0 008 0 0004 0 06 0 003 P mg L 1 0 015 0 002 0 104 0 005 注 表中數(shù)據(jù)表示為平均值 標(biāo)準(zhǔn)誤 代表與對照組相比有顯著性 差異 P 0 05 Note Data are expressed as Mean SE significant difference P 0 05 between graphene treatments and control group is marked with 圖4 黃瓜根掃描電子顯微鏡 SEM 照片 注 a 對照 根冠 b 石墨烯處理 1 000 mg L 1 根冠 c 對照 成熟區(qū) d 石墨烯處理 1 000 mg L 1 成熟區(qū) Fig 4 Scanning Electron Microscope SEM images of cucumber roots Note a CK root cap b graphene treatment 1 000 mg L 1 root cap c CK maturation zone d graphene treatment 1 000 mg L 1 maturation zone 圖5 玉米根SEM照片 注 a 對照 根冠 b 石墨烯處理 1 000 mg L 1 根冠 c 對照 成熟區(qū) d 石墨烯處理 1 000 mg L 1 成熟區(qū) Fig 5 SEM images of maize roots Note a CK root cap b graphene treatment 1 000 mg L 1 root cap c CK maturation zone d graphene treatment 1 000 mg L 1 maturation zone 226 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)第15卷 2 4 氧化損傷 通過對植物體內(nèi)的ROS進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn) 與 對照組相比 石墨烯導(dǎo)致黃瓜體內(nèi)ROS含量增加了 50 圖6 a 而玉米體內(nèi)ROS含量無顯著變化 圖6 a 這說明 石墨烯對黃瓜幼苗產(chǎn)生了氧化脅迫 對 玉米幼苗沒有產(chǎn)生氧化脅迫 脂質(zhì)過氧化的終產(chǎn)物 MDA會損害細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能 是檢測氧化損傷 程度的重要指標(biāo) 13 進(jìn)一步分析MDA的含量 發(fā)現(xiàn) 1 000 mg L 1石墨烯處理過的黃瓜體內(nèi)MDA含量與 對照組相比顯著升高 34 而石墨烯處理過的玉米 幼苗體內(nèi)MDA的含量無顯著性變化 圖6 b 2 5 營養(yǎng)吸附 通過吸附實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)石墨烯主要吸附了雙子葉 營養(yǎng)液中的N元素 主要以硝酸根的形式 和Cu離 子 表2 1 000 mg L 1石墨烯吸附后 營養(yǎng)液中的這 2種元素分別減少了84 和30 對于單子葉營養(yǎng) 液 石墨烯主要吸附了其中的N元素 表2 導(dǎo)致營 養(yǎng)液中N元素減少了85 同時 由于石墨烯材料 中含有雜質(zhì) 會釋放Mn離子和P離子 14 從而導(dǎo)致 營養(yǎng)液中的Mn和P離子含量的升高 圖6 石墨烯對植物體內(nèi)活性氧 ROS 和丙二醛 MDA 含量的影響 注 代表顯著性差異 P 0 05 Fig 6 Effects of graphene on reactive oxygen species ROS and malondialdehyde MDA content in plants Note Significant difference was marked with P 0 05 表2 石墨烯吸附后營養(yǎng)液中離子的含量變化 Table 2 Changes of ion content in nutrient solution after graphene adsorption 元素 Element 雙子葉營養(yǎng)液 Dicotyledonous nutrient solution 單子葉營養(yǎng)液 Monocotyledon nutrient solution 對照 Control 石墨烯處理 1 000 mg L 1 Graphene treatment 1 000 mg L 1 對照 Control 石墨烯處理 1 000 mg L 1 Graphene treatment 1 000 mg L 1 鉀 mg L 1 Kalium mg L 1 16 67 4 55 17 28 0 10 17 31 0 69 17 28 0 10 鈣 mg L 1 Calcium mg L 1 18 73 2 05 19 24 0 25 20 08 0 61 18 57 0 79 鎂 mg L 1 Magnesium mg L 1 4 24 0 92 4 83 0 02 4 94 0 15 4 66 0 21 銅 mg L 1 Cuprum mg L 1 0 04 0 004 0 028 0 003 0 02 0 002 0 02 0 0002 鐵 mg L 1 Ferrum mg L 1 1 10 0 25 1 15 0 11 1 33 0 09 1 25 0 11 鋅 mg L 1 Zinc mg L 1 0 03 0 003 0 08 0 009 0 06 0 044 0 055 0 005 錳 mg L 1 Manganese mg L 1 0 02 0 002 0 15 0 023 0 02 0 003 0 11 0 007 氮 mg L 1 Nitrongen mg L 1 0 082 0 018 0 013 0 005 0 082 0 020 0 016 0 006 磷 mg L 1 Phosphorus mg L 1 0 091 0 008 0 112 0 011 0 092 0 008 0 116 0 004 注 表中數(shù)據(jù)表示為平均值 標(biāo)準(zhǔn)誤 代表與對照組相比有顯著性差異 P 0 05 Note Data are expressed as Mean SE significant difference P 0 05 between graphene treatments and control group is marked with 第1期徐亞楠等 石墨烯對高等植物幼苗的毒性及機(jī)理探究227 利用石墨烯吸附后的1 4營養(yǎng)液上清液培養(yǎng)植 物15 d 結(jié)果發(fā)現(xiàn)黃瓜和玉米幼苗生長都受到了不 同程度的抑制 與對照組相比 當(dāng)石墨烯濃度達(dá)到 50 mg L 1時 黃瓜幼苗的生物量 根 地上部鮮重和 干重 根部形態(tài)參數(shù) 根長和根尖數(shù) 和株高都受到 了明顯的抑制 表3 玉米除了地上部鮮重和根尖 數(shù) 其他的生長指標(biāo)也都明顯減弱 表4 這說明 石 墨烯對營養(yǎng)液中的大量元素 N 和微量元素 Cu 的 吸附 導(dǎo)致黃瓜和玉米幼苗生長缺乏營養(yǎng) 生長受抑 制 營養(yǎng)耗竭是石墨烯對黃瓜和玉米幼苗產(chǎn)生毒性 效應(yīng)的重要機(jī)理之一 3 討論 Discussion 隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 石墨烯材料不可避免 地進(jìn)入到環(huán)境中 在遷移 轉(zhuǎn)化的過程中會對生態(tài)系 統(tǒng)產(chǎn)生潛在的危害 本研究中 石墨烯對植物幼苗 的毒性具有時間和濃度效應(yīng) 即隨著石墨烯暴露濃 度和時間的增加 毒性效應(yīng)增強(qiáng) 這與人工納米顆 粒對植物的毒性效應(yīng)研究結(jié)果一致 15 同時 石墨 烯對黃瓜幼苗的抑制程度要高于其對玉米幼苗的抑 制 單子葉植物和雙子葉植物木質(zhì)部結(jié)構(gòu)的不同是 產(chǎn)生差異的一個關(guān)鍵因素 單子葉植物只有初生木 表3 石墨烯吸附后的營養(yǎng)液對黃瓜幼苗各生長指標(biāo)的影響 Table 3 Effects of nutrient solution after graphene adsorption on growth of cucumber seedlings 石墨烯濃度 Graphene concentration 0 mg L 1 50 mg L 1 100 mg L 1 500 mg L 1 1 000 mg L 1 根鮮重 g 植物 1 Fresh weight of root g plant 1 1 73a 1 23b 1 14bc 0 952c 0 656d 根干重 g 植物 1 Dry weight of root g plant 1 0 115a 0 0647b 0 0633b 0 0633b 0 0607b 地上部鮮重 g 植物 1 Fresh weight of shoot g plant 1 4 94a 2 72b 2 62b 2 57b 2 40b 地上部干重 g 植物 1 Dry weight of shoot g plant 1 0 465a 0 342b 0 338b 0 316bc 0 245c 根長 cm Root length cm 2 792a 1 800b 1 793b 1 660b 1 063c 根尖數(shù)Root tips 2 803a 2 453b 2 301bc 2 152c 1 680d 株高 cm Plant height cm 32 8a 27 9b 27 7b 27 5b 27 4b 葉面積 cm2 Leaf area cm2 614a 539a 406b 381b 314b 注 字母代表顯著性差異 P 0 05 Note Significant differences are marked with different letters P 0 05 表4 石墨烯吸附后的營養(yǎng)液對玉米幼苗各生長指標(biāo)的影響 Table 4 Effects of nutrient solution after graphene adsorption on growth of maize seedlings 石墨烯濃度 Graphene concentration 0 mg L 1 50 mg L 1 100 mg L 1 500 mg L 1 1 000 mg L 1 根鮮重 g 植物 1 Fresh weight of root g plant 1 1 72a 1 10b 1 10b 1 10b 1 11b 根干重 g 植物 1 Dry weight of root g plant 1 0 105a 0 0857ab 0 0750b 0 0746b 0 0770b 地上部鮮重 g 植物 1 Fresh weight of shoot g plant 1 2 78a 2 39a 2 32a 2 33a 2 39a 地上部干重 g 植物 1 Dry weight of shoot g plant 1 0 268a 0 231ab 0 227ab 0 226ab 0 217b 根長 cm Root length cm 934a 692b 699b 674b 688b 根尖數(shù)Root tips 2 236a 2 260a 2 483a 2 296a 2 265a 株高 cm Plant height cm 53 1a 51 8ab 51 7ab 51 9ab 51 3a 葉面積 cm2 Leaf area cm2 431a 358b 347b 344b 341b 注 字母代表顯著性差異 P 0 05 Note Significant differences are marked with different letters P 0 05 228 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)第15卷 質(zhì)部 中央有髓 起貯藏作用 不具有形成層 從而不 能產(chǎn)生次生結(jié)構(gòu) 雙子葉植物初生木質(zhì)部缺少髓 形成層會不斷地形成次生木質(zhì)部 對水分的輸送要 求也較高 這種木質(zhì)部結(jié)構(gòu)的不同對納米顆粒就可 能表現(xiàn)出不同的吸收動力學(xué) 10 也有研究認(rèn)為 納 米顆粒對雙子葉植物和單子葉植物的抑制效應(yīng)不同 是它們根系構(gòu)型的差異引起的 但這并不是一個共 性的結(jié)論 16 石墨烯鋒利的邊緣 會對植物根部產(chǎn)生物理的 切割損傷 同時導(dǎo)致受試生物體內(nèi)的氧自由基的累 積而產(chǎn)生氧化脅迫 這已經(jīng)成為了石墨烯致毒的最 為普遍的機(jī)理 Begum等 10 的研究表明 石墨烯本 身的疏水性質(zhì)導(dǎo)致其分散性較差 易在水體環(huán)境中 發(fā)生團(tuán)聚 與植物根系發(fā)生異相團(tuán)聚從而在甘藍(lán) 番 茄和紅莧菜根系表面聚集而導(dǎo)致物理損傷 同時 植 物葉片中的ROS和H2O2含量顯著升高 從而對植 物的生長產(chǎn)生抑制效應(yīng) 本研究發(fā)現(xiàn) 石墨烯對黃 瓜和玉米的根部都造成了切割損傷 黃瓜幼苗的 ROS和MDA含量都明顯升高 而玉米幼苗的ROS 和MDA含量無顯著性變化 已有研究表明 石墨烯能夠吸附鋅 銅等離 子 17 對硝酸根的吸附量為202 mg g 1 18 Zhao 等 17 和Ganesan等 18 研究認(rèn)為 石墨烯吸附陰離子 的主要機(jī)理有2個方面 第一是離子交換 如石墨烯 對氟離子的吸附就是通過氟離子和石墨烯上的羥基 離子交換 第二是形成強(qiáng)的陰離子 鍵 吸附能隨 其電負(fù)性的增大而降低 Zhao等 19 的研究指出 石 墨烯吸附培養(yǎng)基中的營養(yǎng)元素 造成營養(yǎng)耗竭 是造 成蛋白核小球藻生長毒性的重要機(jī)理 本實(shí)驗(yàn)所用 的植物營養(yǎng)液中也含有多種離子 而這些離子是黃 瓜和玉米幼苗生長所必需的 因此 探究了石墨烯導(dǎo) 致的營養(yǎng)耗竭對植物生長的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 石 墨烯對培養(yǎng)液中的營養(yǎng)元素氮和銅的吸附 會導(dǎo)致培 養(yǎng)液中營養(yǎng)失衡 從而影響幼苗的正常生長而產(chǎn)生毒 性效應(yīng) 本文系統(tǒng)研究了石墨烯對黃瓜和玉米的毒 性效應(yīng) 并分析了其致毒機(jī)理 進(jìn)一步的研究需要探 討石墨烯對黃瓜和玉米幼苗致毒機(jī)理不同的原因 通訊作者簡介 徐立娜 1984 女 環(huán)境科學(xué)博士 博士后 主 要研究方向?yàn)槲廴疚锏沫h(huán)境地球化學(xué)特征 參考文獻(xiàn) References 1 Geim A K Graphene Status and 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