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中南林科大閆文德團隊在環(huán)境納米植物毒理研究方面取得新進展

來源：中南林業(yè)科技大學(xué) 2023-09-04

導(dǎo)讀：近年來，由于納米顆粒（NPs）獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，其在醫(yī)學(xué)、催化、能源和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，納米顆粒排放對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的長期影響受到關(guān)注。納米毒性可能引起植物在生理和生化方面的變化，如氧化應(yīng)激反應(yīng)、基因表達和組織代謝，然而，納米尺寸誘導(dǎo)的植物納米毒性尚不清晰。為了澄清這一問題，需要進行系統(tǒng)的研究來驗證納米顆粒尺寸與植物毒性之間的化學(xué)計量關(guān)系，以便更好地了解納米顆粒的環(huán)境生物安全性。其中，氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）是一種常見的納米材料，廣泛釋放到環(huán)境中，可能對植物的生長和發(fā)育構(gòu)成風(fēng)險。因此，為了深入了解納米毒性對植物的影響，有必要對ZnO NPs在植物體內(nèi)的分布進行系統(tǒng)研究。本研究采用元素和顆粒成像技術(shù)，揭示了ZnO NPs尺寸效應(yīng)相關(guān)的植物毒性影響。

實驗結(jié)果顯示: （1）小尺寸ZnO NPs（5、20和50 nm）對水稻（Oryza sativa L.）的生長和生物量產(chǎn)生了抑制作用；（2）ZnO NP的納米毒性導(dǎo)致水稻根部細胞膜受損，丙二醛含量增加，并激活了過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等抗氧化酶的活性；（3）相同劑量的Zn2+鹽對水稻的生理和生化無顯著影響，表明ZnO NPs來源于顆粒態(tài)Zn,而非溶解的Zn2+；（4）通過激光消融電感耦合等離子體光譜分析，我們發(fā)現(xiàn)ZnO NPs積累于水稻根部的根皮層和維管組織中；（5）透射電子顯微鏡證實，內(nèi)吞的納米顆粒主要附著在細胞膜上，并分布在根組織的細胞間隙中。我們的研究結(jié)果表明，顆粒大小決定了ZnO NPs的水稻根毒性。這項研究為我們深入了解環(huán)境納米顆粒的植物毒性提供了直接證據(jù)，在納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用和環(huán)境安全領(lǐng)域的研究具有重要意義。

Scheme 1. 基于元素和顆粒成像技術(shù)的氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）的水稻（Oryza sativa L.）根組織分布和毒性效應(yīng)

Figure1. 不同ZnO NPs處理下的水稻生長狀況

Figure2. 不同處理下水稻根系氧化損傷差異

Figure 3. 激光消融電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）和透射電子顯微鏡（TEM）對水稻根截面的成像分析

研究成果以“Particle Size Determines the Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles in Rice (Oryza sativa L.) Revealed by Spatial Imaging Techniques”為題發(fā)表在環(huán)境與生態(tài)領(lǐng)域頂級期刊《Environmental Science & Technology》（2022 ，IF=11.357）上。第一作者為2021級博士研究生李自遷，中南林業(yè)科技大學(xué)為第一通訊作者單位，李永副教授和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心劉倩研究員為通訊作者。該研究由“南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室”修復(fù)生態(tài)團隊與中國科學(xué)院“環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點實驗室”江桂斌院士團隊共同完成，是繼“Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 8035?8043”發(fā)表后的又一成果，充分體現(xiàn)雙方協(xié)同育人、科教創(chuàng)新的協(xié)作能力。研究得到湖南省科技創(chuàng)新計劃項目（2022RC1118）和湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新杰出青年項目（XLKJ202303）的支持。

全文參見：

Ziqian Li, Wende Yan, Yong Li*, Yunmu Xiao, Yang Shi, Xuyuan Zhang, Junjie Lei, Ke Min, Yuliang Pan, Xiaoyong Chen, Qian Liu*, and Guibin Jiang. Particle Size Determines the Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles in Rice (Oryza sativa L.) Revealed by Spatial Imaging Techniques. Environ. Sci. Technol. 2023, 3c03821.

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