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纳米材料对植物生长发育的影响
王钰涵,唐乐,刘桂芸,林依美,马莉,冉永珍,宋凯
（长春师范大学生命科学学院,吉林长春130032）
摘 要：纳米材料的广泛运用,势必会对环境中的植物生长产生影响.本文总结了目前常用的纳米材料对植物种子的发芽情况研究,以期对为纳米材料在种子萌发领域的应用提供理论依据.
关键词：纳米；植物；发芽
基金项目：吉林省大学生创新创业训练计划项目资助
中图分类号：S129 文献标识码：A DOI 编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.05.010
随着纳米颗粒的广泛使用,越来越多的纳米粒子通过各种途径进入环境中,可能对人们的健康以及生态环境造成危害,植物作为自然界的生产者,也是生态系统最为重要的环节,纳米粒子对植物的生长发育的影响,以及植物对纳米材料的吸收积累都会对高营养级的生物产生不同程度的影响.
1 对植物发芽率的影响
种子发芽是一种常用的试验植物毒性的方法,具有方法简便,成本较低,试验快速等优点.目前已有研究表明,纳米微粒对植物的发芽率有一定的抑制作用.例如：纳米TiO2 对油菜、黄瓜和玉米的发芽率均有抑制作用.纳米TiO2 对油菜和黄瓜的发芽率影响比较微弱,而对玉米发芽率的抑制作用则是非常显著的[1].由组氨酸包被的金纳米簇对辣椒的发芽率具有抑制作用[2].也有研究者以玉米为受试植物,分别对ZnO 纳米颗粒和金纳米颗粒进行研究.以10～1000 毫克/ 升的不同浓度梯度的ZnO 纳米颗粒处理玉米种子,得出结论：当ZnO 纳米颗粒的浓度升高时,玉米种子的萌发率呈下降的趋势.就金纳米颗粒是否对玉米种子发芽率产生抑制作用的研究,发现用不同方法处理过的金纳米颗粒对玉米种子的发芽率并没有显著影响.这是由于种皮对种子具有保护作用,可以防止外界污染物或病虫害对种皮内的胚胎发育产生影响,只有一些能够通过种皮的细小微粒才能对胚胎产生影响,这可能是金纳米颗粒对玉米种子萌发没有抑制作用的原因.由于金属和金属氧化物纳米颗粒的种类很多,因此,其对植物产生的影响也不尽相同,学者们对其产生的植物毒性以及是否存在植物毒性都具有争议.
2 对植物生物量和幼苗形态的影响
目前,由于纳米微粒特殊的物理化学特性,纳米材料对生态环境和生物生长发育方面的影响,受到了许多学者乃至政府的关注.目前已有很多学者对此进行研究,得到结论：一般情况下,植物经高浓度（1000～4000 毫克/ 升）的纳米微粒作用时,植物的生物量,幼苗形态,根伸长,根活力等生理生化指标才会受到影响.例如：零价的Fe 纳米颗粒在（2000～5000 毫克/ 升）时完全抑制麻,黑麦草和大麦的发芽；而ZnO 纳米颗粒在浓度为1000 毫克/ 升时,可以将黑麦草根尖的所有细胞杀死.浓度为100 毫克/ 升的CuO 纳米颗粒则可以抑制玉米幼苗根的生长.
有研究表明,纳米颗粒对植物的生物量以及幼苗形态存在着抑制作用.有学者为了探究纳米ZnO 对植物的生长发育是否存在影响,分别用1000 毫克/ 升纳米ZnO 颗粒和100 毫克/ 升纳米ZnO 颗粒处理玉米幼苗,同时设置了对照组,发现100 毫克/ 升纳米氧化锌的作用下根的生物量较对照组降低了48.4％,而1000 毫克/ 升浓度的纳米氧化锌较对照组降低了87.5%,茎的生物量也有所降低,100 毫克/ 升浓度下的纳米氧化锌颗粒较对照组降低了75%,而1000 毫克/ 升浓度下茎的生物量较对照组降低了87.5%.在1000 毫克/ 升的浓度下玉米幼苗叶的生物量降低的更为明显,可以达到91.1%,100 毫克/ 升浓度时,也能达到62.96%.锌是人体必需的微量元素,同时也是植物生长必需的元素,然而过量的锌对植物是有害的,对植物的生长产生抑制作用,具有一定的毒性效应.随着纳米颗粒浓度的增加,受试玉米幼苗的叶子发黄较为严重.
3 对植物生理生化的影响
纳米材料对植物的发芽率,生物量,以及幼苗形态等均有不同程度的影响,那么,纳米材料对植物的生理生化方面是否存在着某些作用？对此,很多学者做了大量研究,例如,Gao 等发现将0.03%的TiO2 纳米颗粒悬液,喷洒在菠菜的叶片表面,结果发现TiO2 纳米颗粒悬液可以显著的促其进生长,从而得出结论,TiO2 纳米微粒悬液在促进光吸收的同时还能增强菠菜体内Rubisco 酶活性,进而提高光合作用的效率,促进植物的生长[3].植物为了使自己免于遭受活性氧化的伤害,都有自己的一套高度发杂的抗氧化防御系统,有多种抗氧化酶CAT、MDA,过氧化物酶以及低分子量抗氧化剂等.有学者观察金纳米颗粒对玉米和辣椒体内的抗氧化酶的作用效果,来探究纳米微粒对植物的一些酶活性的影响效应.分别用通过柠檬酸还原的金纳米颗粒、ESA 包被的金纳米簇以及组氨酸包被的金纳米簇来处理玉米和辣椒幼苗.得到的结论是：随着AuNCs@His 处理浓度的增加,玉米体内抗氧化酶的活性呈先上升后下降趋势.当AuNCs@BSA 处理浓度增加,玉米地上部分抗氧化酶活性呈上升趋势.三种纳米材料对玉米根系的抗氧化酶活性没有显著影响,根系POD 酶活性和MDA 显著低于对照组.由此可见,纳米微粒对植物体内酶活性具有一定的抑制作用.
4 结语
研究表明,不同的纳米粒子对植物的影响也不尽相同,对植物的发芽率、生物量、幼苗生长以及生理生化方面均具有抑制作用.纳米微粒的毒性机制与外部的环境因素以及暴露时间有着不可忽视的关系.
参考文献
[1]王铎锋.金纳米颗粒对两种植物的生物学效应的研究[J].环境生态学,2014, (05).
[2]于晓莉.几种典型纳米人工颗粒对高等植物的毒性效应研究[J].环境科学,2010,(06).
[3]王江雪,李炜,刘颖.二氧化钛纳米材料的环境健康和生态毒理效应[J].生态毒理学报,2008, 3(02):105-113
作者简介：王钰涵,在读本科生,研究方向：食品科学与工程.
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