石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究.pdf

生态毒理学报 Asian Journal of Ecotoxicology 第15卷第1期2020年2月 Vol 15 No 1 Feb 2020 基金项目 国家自然科学基金重大国际合作交流项目 41120134004 青岛市博士后应用项目 861605040062 作者简介 徐亚楠 1989 女 硕士研究生 研究方向为海洋环境生态学 E mail yanango 通讯作者 Corresponding author E mail linaxu0806 DOI 10 7524 AJE 1673 5897 20190711001 徐亚楠 徐立娜 石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究 J 生态毒理学报 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 石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究 徐亚楠1 徐立娜2 1 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室 青岛266100 2 青岛农业大学园林与林学院 青岛266100 收稿日期 2019 07 11 录用日期 2019 10 09 摘要 随着石墨烯产品的广泛应用和潜在的环境释放 其对生态环境的影响已引起广泛关注 为探讨石墨烯对高等植物生长 的影响 探究了其对黄瓜幼苗和玉米幼苗生长的影响及其致毒机理 结果表明 水培条件下 不同浓度的石墨烯 10 50 100 500 1 000和2 000 mg L 1 处理植物幼苗15 d后 对植物幼苗的生长具有抑制作用 且随着处理时间和石墨烯浓度的增加 植物幼苗生长的所有指标 包括根 地上部鲜重和干重 根长 根尖数 株高和叶面积均相应降低 另外 黄瓜幼苗比玉米幼苗 对石墨烯更加的敏感 进一步研究发现 石墨烯与黄瓜幼苗根部直接接触导致的物理损伤 氧化损伤 以及营养耗竭是其致 毒机理 而石墨烯对玉米幼苗的致毒机理包括物理损伤和营养耗竭 本研究为石墨烯的环境风险评价提供了基础数据 关键词 石墨烯 植物幼苗 植物毒性 物理损伤 营养耗竭 文章编号 1673 5897 2020 1 220 10 中图分类号 X171 5 文献标识码 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 inds 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 ination for risk assessment of graphene in environment Keywords graphene plant seedlings phytotoxicity physical damage nutrient depletion 第1期徐亚楠等 石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究221 石墨烯 graphene 是一种重要的二维碳纳米材 料 具有非常稳定的碳结构 1 2 近年来 石墨烯依 靠本身独特的电学性质 3 光学性质 4 机械性能 5 及 巨大的比表面积 6 在电池 电子设备 生物医药 材 料和储能等领域得到广泛应用 7 8 随着石墨烯材料 及其相关产品的生产 储存 运输 使用 清理和废弃 等过程 石墨烯不可避免地会释放到环境中 对生态 环境产生一定的威胁 9 因此 了解石墨烯材料的健 康和生态风险对石墨烯材料的安全应用至关重要 植物作为生态系统的初级生产者 其多样性对 生态系统的平衡至关重要 目前已有诸多研究表 明 石墨烯材料对植物生长存在毒性效应 例如 Begum等 10 通过研究石墨烯对卷心菜 番茄和红苋 菜幼苗生长的影响 发现石墨烯能够抑制植物生长 并对植物根部产生物理损伤及氧化损伤 Hao等 11 的研究表明 还原氧化石墨烯对水稻茎高和根长产 生抑制效应 并显著降低根皮质细胞直径 导致细胞 收缩变形 Zhang等 12 研究了石墨烯对番茄幼苗生 长的影响 结果发现石墨烯能够渗透入液泡及在根 尖沉积 从而抑制生物量的积累 然而 也有文献表 明 石墨烯对植物生长具有促进作用 例如 通过调 节赤霉素 GA 的生物合成促进幼苗根和茎的生 长 12 综上所述 关于石墨烯植物毒性的研究还存 在争议 并且 石墨烯对单子叶植物和双子叶植物 影响的研究还较为缺乏 黄瓜和玉米是典型的双子叶和单子叶植物 其 作为广泛种植的经济作物 已被广泛地用作纳米颗 粒的毒理学研究 但目前关于石墨烯对黄瓜和玉米 幼苗毒性效应的研究尚未有报道 基于此 本文以 双子叶子植物黄瓜和单子叶植物玉米作为受试植 物 采用营养液培养实验研究石墨烯对植物幼苗生 长的影响 并探究其对植物生长产生抑制的机理 为 石墨烯的环境风险评价提供基础数据 1 材料与方法 Materials and s 1 1 石墨烯的特性表征 实验采用的石墨烯购于美国石墨烯公司 Amer ican Graphene Supermarket Co Ltd 纯度 99 9 将5 mg石墨烯悬浮于100 mL无水乙醇中 利用超 声清洗机超声分散 100 W 40 kHz 1 h 取配制的 溶液滴加到铜网上 自然风干 利用透射电子显微镜 TEM JEM 2100 JEOL 日本 观察石墨烯的形态 取配制的溶液滴加到云母载玻片上 自然风干 使用 原子力显微镜 AFM Agilent5400 Agilent Technolo gies Co 美国 观察并分析石墨烯的厚度 称取5 mg干燥的石墨烯样品过60目筛 利用元素分析仪 Vario Elemental Analyzer Elementar 德国 测定碳 C 氧 O 硫 S 氢 H 和氮 N 元素的含量 利用 傅立叶红外光谱仪 FTIR Nicolet6700 Thermo Fisher Scientific Inc 美国 测量石墨烯表面含有的 官能团 利用全自动物理化学吸附仪 Autosorb 1 Quantachrome 美国 使用Brunauere Emmette Teller BET 方法测得石墨烯的比表面积 称取5 mg石墨 烯 分别加入到100 mL蒸馏水 1 4单子叶营养液 和1 4双子叶营养液中 调节pH值在6 5 7 0之 间 超声分散1 h 制备成50 mg L 1的石墨烯悬浮 液 利用粒度分析仪 Zetasizer Nano ZS90 Malvern Instruments Ltd 英国 测量其Zeta电位 配制2 000 mg L 1石墨烯悬浮液 黑暗中静置7 d后10 000 r min 1条件下高速离心 用0 22 m一次性针头滤器 聚醚砜 PES 膜 美仑 过滤 之后利用电感耦合等离 子体质谱 ICP MS Agilent 7500 Agilent Technolo gies 美国 测定滤液中石墨烯释放的离子浓度 用蒸 馏水作为对照 1 2 植物幼苗培养及处理方法 实验所用的黄瓜和玉米种子购于山东省青岛市 城阳种子站 种子的发芽率大于90 挑选大小一 致 颗粒饱满的黄瓜和玉米种子 用10 H2O2对种 子进行消毒10 min 蒸馏水冲洗3遍 将种子放置到 铺有湿润滤纸的培养皿中发芽 7 d后选择长势一致 的黄瓜幼苗和玉米幼苗分别移入培养盆中 分别加入 1 4双子叶营养液 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单子叶营养液 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 光照强度16 500 lx 20 25 15 20 白天 夜晚 湿度保持在60 70 左右 持续曝气 植物幼苗在长至两叶一心时 进行 石墨烯暴露处理 实验设置了7个不同的处理组 222 生态毒理学报第15卷 即去离子水空白对照 CK 与10 50 100 500 1 000 和2 000 mg L 1石墨烯处理 每个处理均设置5个 重复 每隔5 d更换一次营养液 并重新加入石墨 烯悬浮液 处理时间持续15 d 每隔3 d从每个处 理组里面选取5棵长势一致的植物 测量株高 用全 自动根系扫描分析仪 WinRHIZO Pro 2005b 加拿 大 扫描 分析根长 根尖数和叶面积 用电子天平称 量鲜重 将植物放入105 的烘箱中进行杀青处理 再放置到65 烘箱中进行24 h烘干 之后称量植物 的干重 根据以上实验数据绘制植物生长曲线 1 3 物理损伤测定 取1 000 mg L 1石墨烯处理过的黄瓜和玉米幼 苗的根部 用蒸馏水冲洗干净 用pH 7 2的磷酸缓 冲液 PBS 冲洗2次 将根系分散于2 5 的戊二醛 中固定12 h 然后再用PBS冲洗3次 加入戊二醛 中二次固定 乙醇分级脱水 叔丁醇包埋 冷冻干燥 喷金处理 利用扫描电子显微镜 SEM S 4800 Hita chi 日本 进行观察 1 4 氧化损伤测定 取1 000 mg L 1石墨烯处理15 d的新鲜植物 幼苗 按照1 9的体积比加入生理盐水 冰浴条件下 用匀浆机进行匀浆 取上清液 采用2 7 二氯荧 光黄双乙酸盐 DCFH DA 探针测量植物体内产生 的氧自由基 ROS 含量 采用硫代巴比妥酸反应产 物 TBARS 测定丙二醛 MDA 利用酶标仪 Multi skanFC Thermo Fisher Scientific Inc 美国 在532 nm处测定吸收峰 计算反应产物 1 5 营养耗竭实验 称取0 05 g石墨烯加入50 mL 1 4双子叶营养 液或者1 4单子叶营养液 pH 6 5 7 0 超声分散 配制成1 000 mg L 1石墨烯悬浮液 放置在黑暗环 境中5 d 5 d后高速离心 10 000 r min 1 分离 用 0 22 m一次性针头滤器过滤 利用ICP MS测定营 养液中的离子浓度 用蒸馏水作为对照 并用凯氏 定氮仪测定溶液中总氮含量 利用钼酸铵分光光度 法测定营养液中总磷含量的变化 在营养液中加入石墨烯 石墨烯的浓度分别为 50 100 500和1 000 mg L 1 将营养液放置5 d 过 滤取其上清液 利用上清液培养植物 每5天换一次 营养液 植物培养15 d后 测量植物株高 地上部 根部鲜重和干重 根长 根尖数以及叶面积参数 1 6 数据统计分析方法 所有处理至少有3个重复 结果显示为平均值 标准偏差 SD 实验数据统计分析使用Microsoft Excel 2013软件 利用DPS12 5软件中的单因素方 差分析 Analysis of Variance ANOVA LSD检验法 进行显著性差异检验 P 0 05 2 结果 Results 2 1 石墨烯的特性表征 TEM图 图1 a 显示石墨烯是多层片状结构 表面有褶皱 边缘锋利 采用AFM对石墨烯的形 貌进行了表征 由图1 b 可以看出石墨烯的厚度在 2 0 nm左右 石墨烯的比表面积是124 6 m2 g 1 石墨烯在1 4双子叶营养液和1 4单子叶培养营养 液中的Zeta电位值相近 分别是 16 93 0 55 和 14 17 1 01 石墨烯的主要元素是C O S H和 N 含量分别为92 17 5 17 1 28 0 56 和 0 28 FTIR图谱分析发现石墨烯主要含有4种 官能团 分别为OH C C C H和C N 石墨 烯释放的离子主要是Mg Mn和P 表1 但是这些 离子浓度都是在植物的耐受范围内 并不会对植物 的生长产生危害 图1 石墨烯 a 透射电子显微镜 TEM 照片和 b 原子力显微镜 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期徐亚楠等 石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究223 2 2 石墨烯对黄瓜和玉米幼苗的毒性效应 在营养液培养条件下 不同浓度的石墨烯 0 10 50 100 500 1 000和2 000 mg L 1 悬浮液处理 植物15 d后 黄瓜和玉米生长的各参数的变化曲线 分别如图2和图3所示 石墨烯能够抑制植物幼苗 的生长 且随着石墨烯浓度以及暴露时间的增加 对 黄瓜和玉米幼苗的毒性也明显增强 对于黄瓜幼 苗 在第15天 2 000 mg L 1石墨烯处理组与对照 组相比 根部鲜重和干重都减少了86 图2 a 和图 2 b 地上部鲜重和干重分别减少了77 图2 c 和76 图2 d 对于玉米幼苗 2 000 mg L 1石墨 烯处理组与对照组相比 根鲜重和干重分别减少了 40 图3 a 和33 图3 b 其地上部生物量没有 发生显著性变化 图3 c 和图3 d 与对照相比 石 墨烯处理显著降低了根长和根尖数以及株高和叶面 积 且抑制效应也都存在着时间和浓度效应 图2 石墨烯对黄瓜幼苗的影响 Fig 2 Effects of graphene on the growth of cucumber seedlings 224 生态毒理学报第15卷 2 000 mg L 1石墨烯处理植物幼苗15 d 黄瓜根 长 根尖数 株高和叶面积分别减少了90 图2 e 84 图2 f 36 图2 g 和72 图2 h 玉米根 长 根尖数 株高和叶面积分别减少了33 图3 e 36 图3 f 7 8 图3 g 和29 图3 h 以上实 验结果表明 与玉米幼苗相比 黄瓜幼苗对石墨烯更 加敏感 2 3 物理损伤 石墨烯具有锋利的边缘 与植物根系接触可能 会对植物造成物理损伤 使用SEM观察黄瓜和玉 米根系 图4和图5 发现 石墨烯处理过的黄瓜 图4 b 根冠有明显的切割伤痕 未处理的黄瓜成熟区 图4 c 表面光滑 有根毛 石墨烯处理过的黄瓜成 熟区 图4 d 表面有明显的切割痕迹 这说明 石墨 图3 石墨烯对玉米幼苗生长的影响 Fig 3 Effects of graphene on the growth of maize seedlings 第1期徐亚楠等 石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究225 烯能够通过切割作用对植物幼苗根系造成直接的物 理损伤 Begum等 10 在研究中观察到石墨烯对卷 心菜 番茄 红苋菜和生菜根部造成物理损伤 出现 表皮脱落的现象 对于玉米幼苗 未处理的玉米幼 苗根部较细 根冠和根成熟区较为光滑 图5 a 和图 5 c 与对照相比 1 000 mg L 1石墨烯处理过的玉 米根冠 图5 b 和成熟区 图5 d 变粗受损 表1 石墨烯悬浮液释放的离子 Table 1 Ions released of graphene suspension 释放离子 Released ions 石墨烯浓度 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 表中数据表示为平均值 标准误 代表与对照组相比有显著性 差异 P 0 05 Note Data are expressed as Mean SE significant difference P 0 05 between graphene treatments and control group is marked with 图4 黄瓜根扫描电子显微镜 SEM 照片 注 a 对照 根冠 b 石墨烯处理 1 000 mg L 1 根冠 c 对照 成熟区 d 石墨烯处理 1 000 mg L 1 成熟区 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 图5 玉米根SEM照片 注 a 对照 根冠 b 石墨烯处理 1 000 mg L 1 根冠 c 对照 成熟区 d 石墨烯处理 1 000 mg L 1 成熟区 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 生态毒理学报第15卷 2 4 氧化损伤 通过对植物体内的ROS进行定量分析发现 与 对照组相比 石墨烯导致黄瓜体内ROS含量增加了 50 图6 a 而玉米体内ROS含量无显著变化 图6 a 这说明 石墨烯对黄瓜幼苗产生了氧化胁迫 对 玉米幼苗没有产生氧化胁迫 脂质过氧化的终产物 MDA会损害细胞膜的结构和功能 是检测氧化损伤 程度的重要指标 13 进一步分析MDA的含量 发现 1 000 mg L 1石墨烯处理过的黄瓜体内MDA含量与 对照组相比显著升高 34 而石墨烯处理过的玉米 幼苗体内MDA的含量无显著性变化 图6 b 2 5 营养吸附 通过吸附实验 发现石墨烯主要吸附了双子叶 营养液中的N元素 主要以硝酸根的形式 和Cu离 子 表2 1 000 mg L 1石墨烯吸附后 营养液中的这 2种元素分别减少了84 和30 对于单子叶营养 液 石墨烯主要吸附了其中的N元素 表2 导致营 养液中N元素减少了85 同时 由于石墨烯材料 中含有杂质 会释放Mn离子和P离子 14 从而导致 营养液中的Mn和P离子含量的升高 图6 石墨烯对植物体内活性氧 ROS 和丙二醛 MDA 含量的影响 注 代表显著性差异 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 石墨烯吸附后营养液中离子的含量变化 Table 2 Changes of ion content in nutrient solution after graphene adsorption 元素 Element 双子叶营养液 Dicotyledonous nutrient solution 单子叶营养液 Monocotyledon nutrient solution 对照 Control 石墨烯处理 1 000 mg L 1 Graphene treatment 1 000 mg L 1 对照 Control 石墨烯处理 1 000 mg L 1 Graphene treatment 1 000 mg L 1 钾 mg L 1 Kalium mg L 1 16 67 4 55 17 28 0 10 17 31 0 69 17 28 0 10 钙 mg L 1 Calcium mg L 1 18 73 2 05 19 24 0 25 20 08 0 61 18 57 0 79 镁 mg L 1 Magnesium mg L 1 4 24 0 92 4 83 0 02 4 94 0 15 4 66 0 21 铜 mg L 1 Cuprum mg L 1 0 04 0 004 0 028 0 003 0 02 0 002 0 02 0 0002 铁 mg L 1 Ferrum mg L 1 1 10 0 25 1 15 0 11 1 33 0 09 1 25 0 11 锌 mg L 1 Zinc mg L 1 0 03 0 003 0 08 0 009 0 06 0 044 0 055 0 005 锰 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 表中数据表示为平均值 标准误 代表与对照组相比有显著性差异 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期徐亚楠等 石墨烯对高等植物幼苗的毒性及机理探究227 利用石墨烯吸附后的1 4营养液上清液培养植 物15 d 结果发现黄瓜和玉米幼苗生长都受到了不 同程度的抑制 与对照组相比 当石墨烯浓度达到 50 mg L 1时 黄瓜幼苗的生物量 根 地上部鲜重和 干重 根部形态参数 根长和根尖数 和株高都受到 了明显的抑制 表3 玉米除了地上部鲜重和根尖 数 其他的生长指标也都明显减弱 表4 这说明 石 墨烯对营养液中的大量元素 N 和微量元素 Cu 的 吸附 导致黄瓜和玉米幼苗生长缺乏营养 生长受抑 制 营养耗竭是石墨烯对黄瓜和玉米幼苗产生毒性 效应的重要机理之一 3 讨论 Discussion 随着石墨烯产业的发展 石墨烯材料不可避免 地进入到环境中 在迁移 转化的过程中会对生态系 统产生潜在的危害 本研究中 石墨烯对植物幼苗 的毒性具有时间和浓度效应 即随着石墨烯暴露浓 度和时间的增加 毒性效应增强 这与人工纳米颗 粒对植物的毒性效应研究结果一致 15 同时 石墨 烯对黄瓜幼苗的抑制程度要高于其对玉米幼苗的抑 制 单子叶植物和双子叶植物木质部结构的不同是 产生差异的一个关键因素 单子叶植物只有初生木 表3 石墨烯吸附后的营养液对黄瓜幼苗各生长指标的影响 Table 3 Effects of nutrient solution after graphene adsorption on growth of cucumber seedlings 石墨烯浓度 Graphene concentration 0 mg L 1 50 mg L 1 100 mg L 1 500 mg L 1 1 000 mg L 1 根鲜重 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 地上部鲜重 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 根长 cm Root length cm 2 792a 1 800b 1 793b 1 660b 1 063c 根尖数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 叶面积 cm2 Leaf area cm2 614a 539a 406b 381b 314b 注 字母代表显著性差异 P 0 05 Note Significant differences are marked with different letters P 0 05 表4 石墨烯吸附后的营养液对玉米幼苗各生长指标的影响 Table 4 Effects of nutrient solution after graphene adsorption on growth of maize seedlings 石墨烯浓度 Graphene concentration 0 mg L 1 50 mg L 1 100 mg L 1 500 mg L 1 1 000 mg L 1 根鲜重 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 地上部鲜重 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 根长 cm Root length cm 934a 692b 699b 674b 688b 根尖数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 叶面积 cm2 Leaf area cm2 431a 358b 347b 344b 341b 注 字母代表显著性差异 P 0 05 Note Significant differences are marked with different letters P 0 05 228 生态毒理学报第15卷 质部 中央有髓 起贮藏作用 不具有形成层 从而不 能产生次生结构 双子叶植物初生木质部缺少髓 形成层会不断地形成次生木质部 对水分的输送要 求也较高 这种木质部结构的不同对纳米颗粒就可 能表现出不同的吸收动力学 10 也有研究认为 纳 米颗粒对双子叶植物和单子叶植物的抑制效应不同 是它们根系构型的差异引起的 但这并不是一个共 性的结论 16 石墨烯锋利的边缘 会对植物根部产生物理的 切割损伤 同时导致受试生物体内的氧自由基的累 积而产生氧化胁迫 这已经成为了石墨烯致毒的最 为普遍的机理 Begum等 10 的研究表明 石墨烯本 身的疏水性质导致其分散性较差 易在水体环境中 发生团聚 与植物根系发生异相团聚从而在甘蓝 番 茄和红苋菜根系表面聚集而导致物理损伤 同时 植 物叶片中的ROS和H2O2含量显著升高 从而对植 物的生长产生抑制效应 本研究发现 石墨烯对黄 瓜和玉米的根部都造成了切割损伤 黄瓜幼苗的 ROS和MDA含量都明显升高 而玉米幼苗的ROS 和MDA含量无显著性变化 已有研究表明 石墨烯能够吸附锌 铜等离 子 17 对硝酸根的吸附量为202 mg g 1 18 Zhao 等 17 和Ganesan等 18 研究认为 石墨烯吸附阴离子 的主要机理有2个方面 第一是离子交换 如石墨烯 对氟离子的吸附就是通过氟离子和石墨烯上的羟基 离子交换 第二是形成强的阴离子 键 吸附能随 其电负性的增大而降低 Zhao等 19 的研究指出 石 墨烯吸附培养基中的营养元素 造成营养耗竭 是造 成蛋白核小球藻生长毒性的重要机理 本实验所用 的植物营养液中也含有多种离子 而这些离子是黄 瓜和玉米幼苗生长所必需的 因此 探究了石墨烯导 致的营养耗竭对植物生长的影响 实验结果表明 石 墨烯对培养液中的营养元素氮和铜的吸附 会导致培 养液中营养失衡 从而影响幼苗的正常生长而产生毒 性效应 本文系统研究了石墨烯对黄瓜和玉米的毒 性效应 并分析了其致毒机理 进一步的研究需要探 讨石墨烯对黄瓜和玉米幼苗致毒机理不同的原因 通讯作者简介 徐立娜 1984 女 环境科学博士 博士后 主 要研究方向为污染物的环境地球化学特征 参考文献 References 1 Geim A K Graphene Status and prospects J Science 2009 324 5934 1530 1534 2 Mittal G Dhand V Rhee K Y et al A review on carbon nanotubes and graphene as fillers in reinforced polymer nanocomposites J Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2015 21 2 11 25 3 Neto A H C Guinea F Peres N M R The electronic prop erties of graphene J Reviews of Modern Physics 2009 81 1 109 4 Luo Z Zhou M Weng J Graphene based passively Q switched dual wavelength erbium doped fiber laser J Op tics Letters 2010 35 21 3709 3711 5 Zakharchenko KV Los J H Katsnelson MI et al Atomis tic simulations of structural and thermodynamic properties of bilayer graphene J Physical Review B 2010 81 23 235439 6 Mattevi C Eda G Agnoli S et al Evolution of electrical chemical and structural properties of transparent and con ducting chemically derived graphene thin films J Ad vanced Functional Materials 2009 19 16 2577 2583 7 Shareena T P D McShan D Dasmahapatra A K et al A review on graphene based nanomaterials in biomedical ap plications and risks in environment and health J Nano micro Letters 2018 10 3 53 8 Xu J Cao Z Zhang Y et al A review of functionalized carbon nanotubes and graphene for heavy metal adsorption from water Preparation application and mechanism J Chemosphere 2018 195 351 364 9 Hu X Zhou Q Health and ecosystem risks of grap