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水培实验中不同粒径纳米TiO2对芦苇种子发芽和植株生长和生理的影响

2017-06-27文双喜王毅力

生态毒理学报 2017年2期
关键词:芦苇粒径植株

文双喜, 王毅力,2,*

1. 北京林业大学林学院, 北京 1000832. 北京林业大学环境科学与工程学院, 北京 100083

水培实验中不同粒径纳米TiO2对芦苇种子发芽和植株生长和生理的影响

文双喜1, 王毅力1,2,*

1. 北京林业大学林学院, 北京 1000832. 北京林业大学环境科学与工程学院, 北京 100083

纳米二氧化钛(TiO2-NPs)是目前应用最为广泛的纳米材料之一,进入到天然湿地和人工湿地中的TiO2-NPs会在湿地生物、基质、水体之间进行迁移转化和归趋。目前针对TiO2-NPs对湿地植物芦苇的毒性研究很少。本文采用水培实验方法,研究了不同粒径TiO2对芦苇种子发芽和植株生长的影响,解析了TiO2-NPs对芦苇的生态毒理效应。研究结果表明:几种粒径的TiO2-NPs在较低浓度(≤200 mg·L-1)下对芦苇种子发芽均具有一定的促进作用,高浓度处理会抑制芦苇种子发芽;当TiO2-NPs浓度为500 mg·L-1时,处理后的芦苇种子的发芽指标较空白对照均出现显著降低,4 nm和20 nm的TiO2-NPs对芦苇种子发芽的半数有效浓度(EC50)分别为1 075 mg·L-1和1 680 mg·L-1。 TiO2-NPs对芦苇植株的毒害作用表现为植株生长速度减缓甚至停滞、叶片失绿、植株萎焉或枯死、芦苇倒二叶面积增长率降低,并且TiO2-NPs的粒径越小、浓度越高毒害作用越明显。随TiO2-NPs浓度升高,处理后芦苇叶片的叶绿素含量和植株体内的Mg含量均降低,根系的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性、丙二醛(malondialdehyde, MDA)均升高,而且越小粒径的TiO2-NPs对芦苇的处理效果越明显。3种粒径的TiO2-NPs均能进入芦苇体内,粒径越小、浓度越高进入的量越多,但是TiO2-NPs比较难以从根迁移转运至茎和叶。

纳米二氧化钛;芦苇;生态毒理;累积;分布

纳米技术是21世纪最为重要和发展最为迅速的研究领域之一。近年来,应用在不同领域的商用纳米材料在急剧增加[1]。据保守估计,到2020年全世界仅人工金属氧化物纳米材料的年产量就将由2012年的270 041 t增加到1 663 168 t[2]。纳米二氧化钛(TiO2-NPs)作为一种人工金属氧化物纳米材料,具有优异的吸收紫外线能力、高效的光催化效果、良好的抗光化学腐蚀能力及导电能力,因而被大量应用在医疗、食品、化妆品、废水处理、能量储存、油漆及建筑材料等关系到国计民生的各行各业中[1,3-5],预计其全球年产量在2025年将达到2 500 000 t[6]。

大量的纳米材料在生产、运输和使用的过程中将不可避免地被释放到周围环境中[7]。研究表明,TiO2-NPs已经在城市污染水处理厂的出水、污泥以及地表水体中均有检出。付佳璐等[8]研究发现,长江口外取水点水样中的纳米颗粒形态的钛浓度达89.0 μg·L-1;刘志远等[9]报道,曲阳污水处理厂水体中的钛浓度达到了768 μg·L-1;Kiser等[10]研究发现亚利桑那州生活污水厂中钛浓度在0.1~3.0 mg·L-1的范围内波动。

自然水体是经多种途径释放到环境介质中的纳米颗粒的最终受纳体,因此进入到天然湿地和人工湿地中的TiO2-NPs会在湿地生物、基质、水体之间进行迁移转化和归趋。已有的研究表明,植物可以作为纳米材料进入环境及其在食物链中的向上传递和生物富集重要通道之一[11]。因此,研究纳米材料对湿地植物的影响特征可以揭示该材料在环境中的归趋、生态毒理效应及其去除机制。芦苇是湿地中常见的植物,目前关于纳米材料对芦苇污染生态效应方面的文献还比较缺乏。因此,本研究选取芦苇作为研究对象,考察不同粒径TiO2-NPs对芦苇种子发芽、植株生长形态和生理特征的影响,同时研究芦苇植株对不同粒径TiO2-NPs的吸收、累积及TiO2-NPs进入植株后的分布特征。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 实验材料

实验所用芦苇种子购自南京景香园有限公司,所用芦苇植株(展叶期,采于当年5月)采自圆明园九州景区池塘。SOD试剂盒购于南京建成生物工程研究所,培养植物所用1/4浓度的霍格兰氏植物培养液按照文献[12]中的方法配制。

4 nm、20 nm、50 nm的TiO2-NPs购于北京安特普纳科贸责任有限公司(含量≥99.5%;锐钛矿:金红石 = 71:29),本研究中对3种粒径TiO2-NPs的TEM图像、各粒径不同浓度TiO2-NPs在25 ℃、pH = 6.5±0.1的1/4浓度的霍格兰氏植物培养液中的Zeta电位值及XRD图谱(20 nm)进行了表征。

主要仪器:带能谱仪的透射电镜(TEM-EDX, JEM-2100, JEOL, Japan);Reichert超薄切片机;X射线衍射仪(XRD, BruckerD-8 Diffractometer, 德国);Zeta电位分析仪(Zetasizer 2000, Malvern, UK);光照培养箱(MGC-300B, 上海一恒科学仪器有限公司);电感耦合等离子体质谱(ICPS-1000IV, Shimadzu, 日本);气浴恒温振荡器(RH-8811,常州润华电器有限公司);7230 型分光光度计(上海);立式高速冷冻离心机(GL-25MS, 匡贝实业有限公司)。

1.2 种子发芽试验

为了保证发芽试验的准确性,挑选形态丰满、品相良好的芦苇种子(百粒重0.0334 g)进行发芽试验,考察不同浓度的TiO2-NPs对芦苇种子的发芽影响。

种子和实验器材消毒灭菌,TiO2-NPs处理浓度分别为 0, 20, 100, 200, 500, 1 000, 2 000 mg·L-1,按文献[13]中的方法进行种子暴露处理,按文献[14]中的方法进行发芽试验,每天(6 d)记录种子发芽数,发芽结束测定种子发芽重量,所有发芽试验均设置3次重复。按照文献[15]中的公式计算芦苇种子的发芽指数、发芽率、发芽势及活力指数等发芽指标。

1.3 植株暴露培养

为了保证试验结果的可靠性,所有芦苇植株从圆明园取回后都先放入装有1/4浓度的霍格兰氏植物培养液的50 cm×40 cm×35 cm玻璃水族箱中25 ℃下驯化培养15 d。

取驯化后高度与生长情况相当的芦苇植株放入装有含不同浓度TiO2-NPs的1/4浓度霍格兰氏植物培养液的1 000 mL烧杯中进行TiO2-NPs暴露培养。把装有植株的烧杯放入光照培养箱中培养,培养条件:白天/黑夜温度为(26±1)℃/(22±1) ℃;光照/黑暗周期为16 h/8 h;光照强度为300 μE·m-2·s-1,培养时间为12 d。

TiO2-NPs的浓度梯度设置为:0, 1, 10, 100, 200和500 mg·L-1,每个烧杯放入4株芦苇植株,每个浓度设置3次重复,每天记录植株生长情况。

1.4 植株生长指标的测定

每2天取1.3节中经不同浓度TiO2-NPs溶液培养的芦苇样品进行MDA、叶绿素含量测定。培养结束取样进行SOD活性测定。 SOD活性和MDA含量取根进行测定。

其中,SOD酶活性按南京建成生物工程研究所的SOD试剂盒的说明书进行测定;MDA和叶绿素含量分别按照文献[16]和[17]中的方法进行测定。

1.5 TiO2-NPs在植株体内的分布与累积

培养结束,取1.3中经不同浓度TiO2-NPs溶液培养的芦苇植株分成根、茎、叶3部分按文献[18]中的方法进行TEM-EDX观察。另取适量样品按文献[19]中的方法利用ICP-MS测定样品中的Ti含量。同时,由于镁(Mg)是植物正常生长所必需的微量元素之一,是构成叶绿素的中心分子,有促进植物光合碳同化的作用,考虑到Mg含量和叶绿素之间的关系,在测定Ti含量的同时也测定样品中Mg的含量。

1.6 数据分析

本试验所有处理均设3次重复,以 3 个平行组数据计算平均值±标准差(Mean±SD),采用ANOVA(Analysis of variance, LSD检验法)对试验数据进行差异显著性分析(检验标准为P < 0.05)。

2 结果与讨论 (Results and discussion)

2.1 TiO2-NPs表征结果

3种粒径TiO2-NPs的TEM图像、不同浓度TiO2-NPs在25 ℃、pH = 6.5±0.1的1/4浓度的霍格兰氏植物培养液中的Zeta电位值及XRD图谱(20 nm)如图1所示。

图1a~c中的TEM图像显示各粒径的TiO2-NPs均呈圆形、椭圆形或长方形颗粒,平均粒径与商家所标基本吻合;TiO2-NPs(20 nm)的XRD图谱如图1d所示,在25.24°、37.7°、48.0°、55.04°、62.76°、70.22°和75.06°检测到了峰的存在,其中25.24° 到48.0°之间的峰为区分特征峰,与粉体衍射标准卡联合委员会(JCPDS)数据库No.21-1272号卡片吻合,表明本试验所用TiO2-NPs的主要成分为锐钛矿,满足试验需求。从图1e中可以看出:各粒径不同浓度的TiO2-NPs在1/4浓度的霍格兰氏植物培养液中的Zeta电位整体数值范围在±10.0~±30.0之间,说明分散体系不太稳定[20]。因此,在培养实验中需要每天定时对培养液进行搅动数次,保证 TiO2-NPs颗粒在溶液中保持良好的分散状态。

2.2 TiO2-NPs对芦苇种子发芽的影响

不同粒径、不同浓度TiO2-NPs溶液处理后的芦苇种子发芽率及发芽重量见图2,主要发芽指数如表1所示。

从图2a中可以看到,3种粒径的TiO2-NPs在浓度<200 mg·L-1时对芦苇种子发芽的促进不明显,且粒径间的差异性不显著。之前也有低浓度的纳米材料促进植物发芽的报道,Khodakovskaya等[21]发现:浓度为10~40 mg·L-1的多壁碳纳米管(MWCNTs)能够促进西红柿种子的发芽和其植株的生长,可能是由于碳纳米管可以穿透种子外皮从而促进西红柿种子对水分的吸收,而水分在种子发芽过程中起着十分重要的作用,因为干燥的种子要萌发需要一定的水分来促进种子的新陈代谢和生长。但随着暴露浓度的升高,3种粒径处理均使芦苇种子的发芽率下降,当浓度为500 mg·L-1时,3种粒径TiO2-NPs处理的芦苇种子发芽率较空白对照均出现显著降低,4 nm和20 nm的TiO2-NPs对芦苇种子发芽的半数有效浓度(EC50)分别为1 075和1 680 mg·L-1,当浓度为2 000 mg·L-1时,3种粒径TiO2-NPs处理的芦苇种子的发芽率由空白处理的85%分别下降到24%(4 nm)、30%(20 nm)和46.67%(50 nm)。

图1 TiO2-NPs的TEM表征(a-4 nm;b-20 nm;c-50 nm)以及XRD图谱(d-20 nm)和25 ℃下不同浓度的TiO2-NPs在1/4浓度的霍格兰氏植物培养液中的Zeta电位Fig. 1 TEM images (a-4 nm; b-20 nm; c-50 nm) and physical properties of TiO2-NPs: (d-20 nm) XRD patterns; (e) zeta potential vs. different TiO2-NPs concentrations in 25% strength Hoagland nutrient solution at 25 ℃

图2 TiO2-NPs处理后芦苇种子的发芽率(a)和发芽重量(b)注:*代表不同处理与空白对照之间存在显著性差异(P<0.05)。Fig. 2 Germination rates (a) and seedling masses (b) of Phragmites australis seeds under TiO2-NPs treatmentNote: *indicates a significant difference between the treatment and the control groups (P<0.05).

图3 不同粒径的TiO2-NPs处理下芦苇植株的生长形态Fig. 3 Phragmites australis cultured under different sizes of TiO2-NPs

从图2b中可以看出,TiO2-NPs处理后芦苇种子发芽幼苗重量的变化趋势基本与发芽率的变化趋势一致,当浓度为2 000 mg·L-1时,3种粒径TiO2-NPs处理的芦苇种子的发芽幼苗重量由空白处理的43 mg分别下降到9 mg(4 nm)、14 mg(20 nm)和22 mg(50 nm)。可能是因为高浓度的TiO2-NPs处理后进入芦苇种子的TiO2-NPs量增加,对芦苇种子的生理机能造成损伤,并且随着颗粒尺度变小,TiO2-NPs表面晶格破损程度更高,产生活性位点更多,形成超氧自由基及其他活性氧化物质(ROS)更多,氧化压力(OS)提高,导致脂质过氧化,破坏种子细胞膜,因此对芦苇种子发芽产生抑制作用[22]。

由表1可以看出,各粒径TiO2-NPs处理的芦苇种子的各项发芽指标也是在低浓度下有所升高,高浓度处理则快速下降,且粒径越小变化幅度越大,说明粒径越小的TiO2-NPs对芦苇种子的发芽影响作用越大。

2.3 TiO2-NPs对芦苇植株生长与生理的影响

2.3.1 植株生长形态

不同粒径的TiO2-NPs处理下芦苇植株的生长形态如图3所示。

从图中可以看出:经过12 d的培养后,空白对照(0 mg·L-1)处理的芦苇植株整体生长状况良好,叶片无失绿现象发生;不同粒径的TiO2-NPs处理后,芦苇的生长状况均受到不同程度的抑制,表现为植株生长速度减缓甚至停滞,叶片失绿,植株萎焉,且TiO2-NPs的粒径越小,上述影响越显著。Asli等[23]研究发现TiO2-NPs对玉米的生长也有一定的抑制作用。培养于TiO2-NPs溶液中的玉米其根部的导水率降低,且其根细胞的细胞壁孔径从空白培养下的6.6 nm降低到了3 nm,从而导致玉米植株的蒸腾作用减弱,致使叶片的生长受到了抑制。这主要是因为TiO2-NPs的物理阻塞作用致使玉米的根细胞细胞壁的孔径变小,导致根系对水分的吸收能力减弱,从而抑制了叶片的蒸腾作用,抑制了叶片的生长。

表1 TiO2-NPs处理对芦苇种子发芽的影响Table 1 The germination of Phragmites australis seeds treated with TiO2-NPs

2.3.2 芦苇倒二叶面积变化

不同粒径的不同浓度TiO2-NPs处理对芦苇植株倒二叶面积的影响如表2所示。

由表2可知,不同粒径的TiO2-NPs培养处理的芦苇倒二叶面积的增长率均随着处理浓度的升高而显著降低。在同一高浓度TiO2-NPs处理下,粒径越小芦苇倒二叶面积的增长率也越小,说明在高浓度处理下,TiO2-NPs粒径越小对芦苇的生长抑制作用越强。

2.3.3 叶绿素与Mg含量

不同粒径、不同浓度的TiO2-NPs处理对芦苇叶片叶绿素含量的影响结果如图4所示。培养12 d后,空白处理(0 mg·L-1)下的芦苇叶片的总叶绿素含量在12 d的培养期间基本稳定在同一浓度水平;而不同粒径TiO2-NPs处理下芦苇叶绿素含量均随处理浓度的升高而下降,且粒径越小下降幅度越大。在经过浓度为500 mg·L-1的不同粒径的TiO2-NPs暴露培养12 d后,芦苇叶片的总叶绿素含量从刚移栽的2.67 mg·L-1分别下降到1.55(4 nm)、1.83(20 nm)和1.95 mg·L-1(50 nm)。

表2 TiO2-NPs处理对芦苇植株倒二叶面积的影响Table 2 The area of the top second leaf of Phragmites australis treated with TiO2-NPs

注:同列数值后的不同字母代表处理间存在显著性差异(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column indicate a significant difference at P<0.05.

图4 不同浓度TiO2-NPs处理后芦苇植株叶绿素含量(a-4 nm; b-20 nm; c-50 nm) Fig. 4 Chlorophyll content of Phragmites australis cultured under different TiO2-NPs concentrations (a-4 nm; b-20 nm; c-50 nm)

图5 不同浓度TiO2-NPs处理后芦苇植株不同部位Mg含量的变化(a-根; b-茎; c-叶)Fig. 5 Mg content of Phragmites australis cultured under different TiO2-NPs concentrations (a-roots; b-stems; c-leaves)

从图5中可以看出,随着暴露培养时间的延长和TiO2-NPs处理浓度的升高芦苇植株体内不同组织部位的Mg含量均出现不同程度的减少,整体变化趋势与叶片总叶绿素含量的变化趋势相仿。说明TiO2-NPs处理影响了芦苇植株对Mg的吸收,进而影响到了植株叶绿素的合成。

2.3.4 SOD活性和MDA含量

SOD是生物体内清除自由基保护细胞免受损伤的首要物质。它可阻止氧自由基对细胞造成的损害并修复受损细胞[24]。不同粒径、不同浓度的TiO2-NPs处理对芦苇植株SOD酶活性和MDA含量的影响结果如图6所示。从图6a中可知:培养结束后随着TiO2-NPs浓度的不断升高,芦苇根系的SOD活性也不断增强,且TiO2-NPs的粒径越小芦苇植株体内的SOD活性越高,可能是因为粒径小的TiO2-NPs更容易进入芦苇体内,从而对芦苇植株产生更强的毒害作用,致使对芦苇的氧化胁迫水平升高。当TiO2-NPs浓度升高到500 mg·L-1时,不同粒径TiO2-NPs处理的芦苇根系的SOD活性从空白处理的25.52 U·g-1FW分别升高到88.60(4 nm)、71.59(20 nm)和60.57 U·g-1FW(50 nm)。表明TiO2-NPs对芦苇具有一定的毒害作用,芦苇体内SOD活性升高以清除纳米胁迫产生的ROS,各种酶活性的调节是植物自我保护的体现。

图6b~d表明了芦苇根系的MDA含量与不同粒径、不同浓度TiO2-NPs暴露培养处理的关系,由图中可以看到:空白处理下的芦苇根系的MDA含量在整个培养期间(0~12 d)内都保持在一个稳定的水平,没有出现大幅波动;但当各粒径TiO2-NPs浓度为1~500 mg·L-1时,芦苇根系内的MDA水平随着培养时间的推进而不断升高,随着TiO2-NPs浓度的升高而快速上升,并且粒径越小上升幅度越大。不同粒径在TiO2-NPs浓度为500 mg·L-1时芦苇根系的MDA含量由移栽时的1.35 μmol·g-1分别上升到4.33(4 nm)、3.81(20 nm)和3.50 μmol·g-1(50 nm),分别出现了高达320.74%、282.22%和259.26%的增长。表明TiO2-NPs对芦苇有一定的毒害作用,能迫使芦苇植株体内脂质发生过氧化反应而产生大量MDA,且TiO2-NPs的粒径越小对芦苇的毒害作用越强。

2.4 TiO2-NPs颗粒在芦苇植株体内的分布

经500 mg·L-1不同粒径TiO2-NPs暴露培养12 d后,芦苇植株各组织部位切片的TEM-EDX分析结果如图7所示。

图6 不同浓度TiO2-NPs处理对芦苇根系SOD酶活性(a)和MDA(b-4 nm; c-20 nm; d-50 nm)含量的影响Fig. 6 SOD activity (a) and MDA content (b-4 nm; c-20 nm; d-50 nm) of Phragmites australis roots treated with TiO2-NPs

图7 500 mg·L-1 TiO2-NPs处理芦苇植株不同部位的TEM-EDX观察:根(a-4 nm; c-20 nm; e-50 nm); 茎(b-4 nm; d-20 nm; f-50 nm); 叶(g-20 nm); EDX扫描表明了Ti的存在(h)Fig. 7 TEM analysis of TiO2-NPs distribution in plants exposed to 500 mg·L-1 of TiO2-NPs: roots (a-4 nm; c-20 nm; e-50 nm); stems (b-4 nm; d-20 nm; f-50 nm); leaves (g-20 nm); EDX analysis of the bright zone showing the presence of Ti (h)

图8 ICP-MS测定Ti在芦苇根(a)、茎(b)和叶(c)里的累积量Fig. 8 ICP-MS observations of Ti accumulation in Phragmites australis: (a) roots; (b) stems; (c) leaves

从图中可以看出,3种粒径TiO2-NPs处理的芦苇植株根中都发现了颗粒沉积物的存在,且粒径越小芦苇根中的沉积物越多;4 nm和20 nm TiO2-NPs处理的芦苇茎中都发现了颗粒沉积物的存在,但是要明显的少于相应根中的沉积量,而50 nm TiO2-NPs处理的芦苇茎中则观察不到明显的沉积物;3种粒径处理的芦苇叶中都观察不到明显沉积物存在。EDX能谱分析结果表明颗粒沉积物中有很高含量的Ti存在,表明颗粒沉积物应该为进入芦苇体内的TiO2-NPs颗粒。说明在12 d的培养时期内芦苇植株根吸收的TiO2-NPs只有少部分能被转运到了芦苇的茎中,而这些颗粒沉降物基本不能从茎中转移到芦苇的叶片中。

2.5 Ti在芦苇体内的累积量

通过ICP-MS检测经不同粒径、不同浓度TiO2-NPs暴露培养后芦苇植株不同组织部位的Ti元素累积量(图8),发现各粒径TiO2-NPs处理后Ti在芦苇根系和茎里的累积量均随着TiO2-NPs处理浓度的升高而不断增加,且增加量随粒径的增大而减少。

当TiO2-NPs浓度为500 mg·L-1时不同粒径培养处理的芦苇根中的Ti含量分别可以达到993(4 nm)、829(20 nm)和722 μg·g-1(50 nm),芦苇茎中的Ti累积量分别可达45(4 nm)、28(20 nm)和23 μg·g-1(50 nm),根系中Ti含量要远远大于茎中的Ti含量,证明TiO2-NPs颗粒容易被芦苇根系吸收,但是比较难从根系中向上转移到茎里;3种粒径TiO2-NPs培养处理的芦苇叶片中只有在4 nm、浓度大于100 mg·L-1的TiO2-NPs暴露处理下才检测到了Ti的存在,其他处理芦苇叶片中的含量低于检测限,这和组织切片的TEM观察结果相一致,证明在12 d的培养时期里各粒径TiO2-NPs都很难从茎中运输至叶片,且粒径越大转移运输难度越大。

[1] Hossain F, Perales-perez O J, Hwang S, et al. Antimicrobial nanomaterials as water disinfectant: Applications, limitations and future perspectives [J]. Science of the Total Environment, 2014, 466-467: 1047-1059

[2] He X J, Aker W G, Fu P P, et al. Toxicity of engineered metal oxide nanomaterials mediated by nano-bio-eco-interactions: A review and perspective[J]. Environmental Science: Nano, 2015, 2: 434-438

[3] Aitken R J, Chaudhry M Q, Boxall A B A, et al. Manufacture and use of nanomaterials: Current status in the UK and global trends [J]. Occupational Medicine-Oxford, 2006, 56: 300-306

[4] Sharma V K. Aggregation and toxicity of titanium dioxide nanoparticles in aquatic environment—A review [J]. Journal of Environmental Science and Health, Part A Toxic, 2009, 44: 1485-1495

[5] Weng Z Y, Guo H, Liu X M, et al. Nano-structured TiO2for energy conversion and storage [J]. RSC Advance, 2013, 3: 24758-24775

[6] Robichaud C O, Uuar A E, Darby M R, et al. Estimates of upper bounds and trends in nano-TiO2production as a basis for exposure assessment [J]. Environmental Science Technology, 2009, 43: 4227-4233

[7] Macwan D P, Dave P N, Chaturvedi S. A review on nano-TiO2sol-gel type syntheses and its applications [J]. Journal of Materials Science, 2011, 46: 3669-3686

[8] 付佳露, 杨毅, 彭欢, 等. 长江口水环境中纳米颗粒物初探[J]. 环境科学, 2011, 32(2): 1024-1031

Fu J L, Yang Y, Peng H, et al. Study on nanoparticles in Yangtze Estuary [J]. Environmental Science, 2011, 32(2): 1024-1031 (in Chinese)

[9] 刘志远, 于水利, 刘贵彩, 等. 不同消解方法对纳米二氧化钛浓度测定的影响[J]. 环境化学, 2013, 32(4): 666-669

Liu Z Y, Yu S L, Liu G C, et al. Effect of different digesting methods on the detection of titanium dioxide nanoparticles concentration [J]. Environmental Chemistry, 2013, 32(4): 666-669 (in Chinese)

[10] Kiser M A, Westerhoff P, Benn T, et al. Titanium nanomaterial removal and release from wastewater treatment plants [J]. Environmental Science and Technology, 2009, 43(17): 6757-6763

[11] Remya N, Saino H V, Baiju G N, et al. Nanoparticulate material delivery to plants [J]. Plant Science, 2010, 179: 154-163

[12] Gao X P, Zou C Q, Wang L J, et al. Silicon decreases transpiration rate and conductance from stomata of maize plant [J]. Journal of Plant Nutrition, 2006, 29: 1637-1647

[13] Song U, Shin M, Lee G, et al. Functional analysis of TiO2nanoparticle toxicity in three plant species [J]. Biological Trace Element Research, 2013, 155: 93-103

[14] Lin D, Xing B. Phytotoxicity of nanoparticles: Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environmental Pollution, 2007, 150: 243-250

[15] 肖密. 哈茨木霉T2-16对西瓜枯萎病防治效果及机理初探[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2015

Xiao M. Effect and mechanism of trichoderma inducing watermelon to resistance Fusarium wilt [D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2015 (in Chinese)

[16] Buege J A, Aust J D. Microsomal lipid peroxidation [J]. Methods in Enzymology, 1978, 52: 302-310

[17] 杨远强. 纳米氧化铜的植物吸收累积与毒性效应初探 [D]. 杭州: 浙江大学, 2012

Yang Y Q. The uptake, accumulation and phytotoxicity of CuO nanoparticles[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012 (in Chinese)

[18] Larue C, Laurette J, Herlin-boime N, et al. Accumulation, translocation and impact of TiO2nanoparticles in wheat (Triticum aestivum spp.): Influence of diameter and crystal phase [J]. Science of the Total Environment, 2012, 431: 197-208

[19] 巴翠兰. 纳米二氧化钛在植物体内吸收,转运和蓄积及与蛋白作用机理的研究[D]. 保定: 河北大学, 2010

Ba C L. Absorption and transport and accumulation of Titanium dioxide in plants and function methods between protein and metal [D]. Baoding: Hebei University, 2010 (in Chinese)

[20] 高嫄. 纳米TiO2、纳米CuO对青萍生长影响及机理探讨[D]. 淄博: 山东理工大学, 2012

Gao Y. Effect and mechanism of TiO2and CuO nano-particles on Lemna minor growth [D]. Zibo: Shandong University of Technology, 2012 (in Chinese)

[21] Khodakovskaya M, Dervishi E, Mahmood M, et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth [J]. ACS Nano, 2009, 3(10): 3221-3227

[22] 林道辉, 冀静, 田小利, 等. 纳米材料的环境行为与生物毒性[J]. 科学通报, 2009, 54(29): 3590-3604

Lin D H, Ji J, Tian X L, et al. Environmental behavior and toxicity of engineered nanomaterials [J]. Chinese Science Bulletin, 2009, 54(29): 3590-3604 (in Chinese)

[23] Asli S, Neumann P M. Colloidal suspensions of clay or titanium dioxide nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root water transport [J]. Plant, Cell and Environment, 2009, 32(5): 577-584

[24] 邹丽莎. 纳米氧化锌的玉米吸收积累与毒性效应初探[D]. 杭州: 浙江大学, 2014

Zou L S. The uptake, accumulation and phytotoxicitv of ZnO nanoparticles to maize (Zea mays L.) [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014 (in Chinese)

Effect of Nano Titanium Dioxide with Different Particle Size on the Seed Germination and Plant Growth and Physiology of Phragmites australis in Hydroponic Experiments

Wen Shuangxi1, Wang Yili1,2,*

1. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China2. College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

9 November 2016 accepted 3 March 2017

Nano titanium dioxide (TiO2-NPs) is one of the most widely used nanometer materials, which will migrate and transform among the wetland biotas, substrate and water body as entering the natural wetland and constructed wetland. At present, there are few studies on the toxicity of TiO2-NPs to the Phragmites australis. In this study, the effect of TiO2-NPs with different sizes on the seed germination and plant growth of typical constructed wetland plant—P. australis was explored through hydroponic experiments, and their ecotoxicological effects were also determined. The results showed that the seed germination of P. australis was promoted at low concentration (less than 200 mg·L-1) treatment by TiO2-NPs with different sizes, while was hindered at high concentration treatment. When the concentration of TiO2-NPs was higher than 500 mg·L-1, the seed germination indexes of treated P. australis significantly decreased in comparison with control samples. Moreover, the EC50of 4 nm and 20 nm TiO2-NPs on the seed germination of P. australis were determined as 1 075 and 1 680 mg·L-1, respectively. The toxic effects of TiO2-NPs on P. australis were characterized as growth retardation and even stagnation, leaf chlorosis, plant wilting or death, and decrease in the area growth rate of second leaf from the top. Moreover, the decreased size and increased concentration of TiO2-NPs could strengthen the aforementioned toxic effects. With the increase of TiO2-NPs concentration, the chlorophyll in leaf and Mg content in plant of treated P. australis decreased, while the superoxide dismutase (SOD) activity and malondialdehyde (MDA) content in the root system increased, and such treatment effect was more obvious as the smaller TiO2-NPs were used. TiO2-NPs with different sizes could enter the P.australis, and small size or high concentration could favor this entrance. However, it was difficult for TiO2-NPs to transfer from roots to stems and leaves.

TiO2nanoparticles; ecotoxicological effects; Phragmites australis; accumulation; distribution

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07105-002-03);国家自然科学基金(51478041,21177010)

文双喜(1986-),男,博士研究生,研究方向为环境修复与污染生态学, E-mail: wenshuangxide@126.com;

*通讯作者(Corresponding author), E-mail: wangyilimail@126.com

10.7524/AJE.1673-5897.20161109002

2016-11-09 录用日期:2017-03-03

1673-5897(2017)2-071-10

X171.5

A

王毅力(1972-),男,博士,教授,博士生导师,美国特拉华大学土木与环境系访问学者(2008.10-2009.09)。2006年入选北京市科技新星计划A,并于同年入选教育部新世纪优秀人才计划。主要研究方向为:水体污染防治,污泥表征、调理脱水与资源化,分形与流变学,饮用水物理化学处理技术,污染环境生态修复技术。

文双喜, 王毅力. 水培实验中不同粒径纳米TiO2对芦苇种子发芽和植株生长和生理的影响[J]. 生态毒理学报,2017, 12(2): 71-80

Wen S X, Wang Y L. Effect of nano titanium dioxide with different particle size on the seed germination and plant growth and physiology of Phragmites australis in hydroponic experiments [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 71-80 (in Chinese)

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