石墨烯對植物的毒性效應及機制研究.pdf

1、石墨烯作為一種新興的二維碳納米顆粒，因其優(yōu)良的性能在能源存儲、納米電子設備、電池、透明導體和環(huán)境保護等方面有著廣泛應用。隨著石墨烯材料的大量使用，它們最終可能被釋放到水、陸地和大氣環(huán)境中。然而，石墨烯的生態(tài)風險和毒性機制目前尚未明確。本文以石墨烯作為研究對象，探究其對斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）和小麥（Triticum aestivumL.）的毒性效應及內(nèi)在機制，以期為今后石墨烯的生態(tài)效應研究提供理論依據(jù)。主要內(nèi)

2、容包括以下幾部分:
　　(1)不同石墨烯濃度0、10、20、50、100、150、200、250和300 mg L-1對斜生柵藻的生長影響表明，72 h后石墨烯能顯著抑制斜生柵藻的生長，抑制現(xiàn)象呈濃度、時間效應。經(jīng)Logistic和Gompertz模型計算IC50值分別為148和151 mgL-1。掃描和透射電鏡分析石墨烯對藻細胞胞外和胞內(nèi)顯微形態(tài)影響結果表明，150 mg L1石墨烯處理下藻細胞表面包裹一層薄膜;與對照相比，石墨

3、烯處理后藻細胞的細胞壁呈破損現(xiàn)象;胞內(nèi)兩個明顯的生理變化為染色質(zhì)高度濃縮及細胞內(nèi)淀粉粒增多。上述現(xiàn)象表明，石墨烯引起的胞外覆蓋和胞內(nèi)損傷可能是影響藻細胞生長的重要原因。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)藻細胞的細胞膜通透性隨石墨烯濃度升高而增大，表明藻細胞膜的完整性遭到破壞。通過測定藻細胞體內(nèi)活性氧自由基(ROS)和丙二醛(MDA)含量發(fā)現(xiàn)，它們均隨石墨烯濃度的升高而增加，說明藻細胞受到顯著的氧化脅迫。另外，石墨烯還顯著抑制了葉綠素a、葉綠素b及葉綠素

4、a/b水平，暗示著光合作用受損。葉綠素熒光各參數(shù)分析結果表明，石墨烯處理后藻細胞光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)實際量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光化學淬滅系數(shù)qP、非光化學淬滅系數(shù)NPQ和相對光合電子傳遞速率rERT與對照組相比均降低，說明PSⅡ活性受損。由此，本研究認為石墨烯對藻細胞的毒性效應主要表現(xiàn)為胞外表面覆蓋和胞內(nèi)氧化損傷、光合作用受損，最終影響藻細胞的生長。
　　(2)48 h短期石墨烯處理下小麥根系生長結果表明，250、500、1000和1

5、500 mg L-1石墨烯處理與對照相比根系伸長率分別增加了69％、221％、208％和288％，說明石墨烯對小麥根系的生長有一定的促進。顯微觀察發(fā)現(xiàn)這可能與處理后細胞拉伸有關。此外，石墨烯處理下小麥根系出現(xiàn)了以下變化:根毛短而稀疏;根內(nèi)MDA含量高;硝基四唑氮藍和伊文思藍染色增強;超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性隨石墨烯濃度的升高先激活后抑制。上述現(xiàn)象均說明石墨烯處理后根系抗氧化系統(tǒng)受損。因此，石墨烯對小麥的短期毒性

6、效應主要表現(xiàn)為根系的氧化脅迫及根毛發(fā)育遲緩。
　　(3)30 d石墨烯處理下小麥生長結果表明，500 mg L-1石墨烯處理中小麥地上部生物量顯著下降，葉片葉綠素含量降低，說明石墨烯長期處理可抑制小麥的生長。為研究石墨烯對小麥體內(nèi)養(yǎng)分含量的影響，本研究首先分析了大量元素氮、磷和鉀的情況。結果表明，石墨烯處理后葉片總氮、總鉀含量下降，總磷含量基本保持不變。此外，石墨烯處理后葉片的中量元素如鈣和鎂含量也呈下降現(xiàn)象，而鈉含量基本保持不變