中科院高能所-张智勇团队︱Small:纳米二氧化铈和氯化铈对四季豆生长、生理生化指标、产量和品质的影响

科匠学术
2020-04-25

本文由通讯作者-张智勇研究员受邀撰写,由衷感谢他对科匠学术的支持!

一、研究背景:

纳米二氧化铈具有独特的物理化学性质,特别是Ce3+/Ce4+之间的可逆循环,被用作抛光材料、电子陶瓷、紫外线吸收剂、催化剂、催化剂载体(助剂)、汽车尾气吸收剂、燃料电池电解质等,是最重要的纳米材料之一。在生产、使用及废弃处置过程中,纳米二氧化铈将不可避免地被释放到环境中,其环境、健康效应日益引起人们的关注。纳米二氧化铈是经济合作与发展组织(OECD)建议需要重点进行安全性评价的14种纳米材料之一。土壤是人造纳米颗粒在环境中主要的汇,研究纳米二氧化铈对土壤植物的作用是其安全性和健康危险度评价的重要组成部分。

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二、文章简介:
含金属纳米颗粒的生物效应可归因于两种机制:(1)释放的金属离子的效应;(2)由纳米颗粒的表面、尺寸和/或形状引起的胁迫或刺激效应(纳米效应)。中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室张智勇课题组研究了土壤中添加浓度分别为50、100和200 mg Ce kg-1 的纳米二氧化铈和氯化铈对盆栽四季豆生长、生理生化指标、产量和品质的影响。发现纳米二氧化铈和铈离子对四季豆的效应不同,甚至相反,说明两者对植物的作用机理可能不同。相关结果发表于Small,DOI: 10.1002/smll.201907435。

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三、文章内容:

1、植物组织中Ce的含量

纳米二氧化铈和Ce3+离子处理,均使根中Ce含量随处理浓度增加而升高(图1)。同等浓度情况下,纳米二氧化铈处理组植物根中Ce含量低于Ce3+离子处理组,说明在土壤中纳米二氧化铈的生物有效性低于Ce3+离子。纳米二氧化铈和Ce3+离子在植物内部迁移能力较弱,仅在最高浓度下(200 mg Ce kg-1),Ce3+离子处理使四季豆叶片中Ce含量与对照组相比显著升高。纳米二氧化铈和Ce3+离子在所有浓度均未导致可食部位—豆荚中Ce含量发生显著变化。

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图1. 纳米二氧化铈和Ce3+离子处理后根、叶和豆荚中Ce的含量。
2、植物生长与发育

纳米二氧化铈暴露组植物与对照组相比叶数变少,但差别无统计学意义。在实验过程中未发现纳米二氧化铈和Ce3+离子处理导致植物明显的损伤,处理组与对照组的植物在株高、叶长、鲜重和干重上也没有显著差异。

3、叶片光合气体交换参数
纳米二氧化铈和Ce3+离子处理对叶片的叶绿素含量均无显著影响。纳米二氧化铈暴露有抑制叶片光合气体交换参数的趋势,但差别无统计学意义。而Ce3+倾向于增强光合作用, 50、100和200 mg Ce kg-1Ce3+使植物叶片的气孔导度比对照提高1.25、0.66和1.20倍。

4、植物组织中抗氧化酶活性及脂质过氧化水平

纳米二氧化铈和Ce3+离子暴露干扰了植物抗氧化防御系统的动态平衡,但只有最高浓度(200 mg Ce kg-1)的纳米二氧化铈能显著诱导根部的脂质过氧化(图2)。

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图2. 四季豆根和叶中丙二醛含量。
5、豆荚产量和营养品质
纳米二氧化铈或Ce3+离子处理未对豆荚数造成明显影响(表1)。然而,与对照组相比,50、100和200 mg Ce kg-1的纳米二氧化铈处理使豆荚的鲜重分别减少51.8%、29.9%和38.3%。纳米二氧化铈对豆荚中有机营养成分的含量无显著影响。但Ce3+离子处理改变了豆荚的有机成分,从而改变了豆荚的营养品质和风味。
表1. 纳米二氧化铈和Ce3+离子处理对四季豆豆荚的产量及有机营养成分含量的影响。

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纳米二氧化铈处理倾向于增加豆荚中矿质元素的含量(表2),这可能与植物缺乏稀释效应有关,果实产量的下降往往伴随着矿质元素含量的增加。而Ce3+离子仅对豆荚中少数矿质元素含量产生影响。
表1. 纳米二氧化铈和Ce3+离子处理对四季豆豆荚中矿质元素含量的影响。

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四、总结与展望:

大量研究表明,含金属纳米颗粒的毒性至少部分是由于有毒金属离子释放造成的。本课题组的前期水培实验发现,纳米二氧化铈的植物毒性主要来自于在根际释放的少量Ce3+离子。水培实验条件可控,可为阐明纳米颗粒与植物相互作用的机理提供有价值的信息,但土培实验更有助于了解纳米颗粒在真实环境中的效应和归趋。土壤性质(如pH、粘土含量、阳离子交换容量、质地、有机质的数量/类型和矿物学)对纳米颗粒的转运、转化、生物利用度和毒性效应能够产生显著影响,导致与水培实验结果的差异。本研究发现纳米二氧化铈和铈离子对四季豆的效应不同,甚至相反,说明在本实验条件下纳米二氧化铈的毒性不能用Ce3+离子释放来解释。
纳米二氧化铈与植物的相互作用极为复杂,观察到的实验现象可能是多种机制并存的综合效应。有研究表明,亚细胞定位决定了纳米二氧化铈的抗氧化或促氧化作用。另外,纳米二氧化铈在植物根表面释放的Ce3+离子一方面能催化过氧化氢的类Fenton反应,产生破坏性的氧自由基;另一方面,适当浓度的Ce3+又能够促进植物生长,增强抗逆性。为阐明纳米二氧化铈与植物相互作用的机制,需深入了解铈在根际和根内部的分布和化学种态。


五、致谢:

感谢国家自然科学基金(11875267、11675190和11575208)和科技部重点研发计划(2016YFA0201604)对本研究的资助。

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Authors: Yuhui Ma, Changjian Xie, Xiao He, Boxin Zhang, Jie Yang, Minghui Sun, Wenhe Luo, Sheng Feng, Junzhe Zhang, Guohua Wang, and Zhiyong Zhang*

Title: Effects of Ceria Nanoparticles and CeCl3 on Plant Growth, Biological and Physiological Parameters, and Nutritional Value of Soil Grown Common Bean (Phaseolus vulgaris)

Published in: Small, doi: 10.1002/smll.201907435.

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