氧化石墨烯在土培条件下对植物生长的影响

在水培条件下，GO的亲水性使其可以很好地溶解于水中，GO在植物根部的大量积累对植物的生长产生了抑制作用。而土培条件下，GO则表现出了不同的作用效果。土壤环境限制了GO的移动，使其不会贴附到植物根部而阻碍植物对水分和营养的吸收。

Hongwei Zhu组探究了土培条件下GO对菠菜和香葱萌发生长的作用。结果表明，GO可以促进植物的萌发与生长。这是因为GO的含氧官能团（羧基、羟基）赋予其亲水性能，提高了土壤的含水量，再凭借其片内的疏水通道为植物输送充足的水分，从而促进植物的萌发与生长。

在菠菜和香葱的土培实验中，采用浇灌的方式将GO加入土壤中。为明确浇灌方式下GO在土壤中的分布情况，分别采用50μg/mL和200μg/mL GO对土壤进行浇灌，并利用拉曼光谱仪对不同位点的土壤是否含有GO进行检测。如图4-13（a）所示，收集盆中顶部、中部及底部的土壤研磨成粉末，压片后进行拉曼表征。GO0组未检测到GO的拉曼特征峰[G峰（约1581cm-1）和D峰（约1350cm-1）]，这说明原始土壤中不含有GO且土壤中所含物质也不具有GO的拉曼特征峰（G峰和D峰）[图4-13（b）]。如图4-13（c）（d）所示，50μg/mL和200μg/mL浓度的GO组中，顶部、中部及底部的土壤均检测出了GO的特征峰：G峰和D峰。这说明仅在土壤表面浇灌GO，其仍然在更深的土层中有所分布。这主要是因为在浇灌过程中，GO首先以水溶液的形式进入土壤，此后通过自身重力和土壤毛细通道提供的毛细力作用分散到土壤的各个部分。随后，土壤系统逐渐平衡稳定，GO在流动过程中与土壤颗粒发生接触而逐渐被吸附，最终稳定存在于土壤中。

图4-13

（a）拉曼表征的土壤收集位点示意图；（b）～（d）用不同浓度的GO浇灌土壤的归一化拉曼光谱

为了证明GO在土壤中的保水能力，进行如下实验：将土壤放入有一定深度的培养皿中，选取与中心等距的四个位点，其中两个位点含有一定量的GO（E1、E2），另外两个位点无GO（N1、N2）。在中心处滴加水分，利用湿度传感器实时监测四个位点处土壤的湿度[图4-14（a）]。结果如图4-14（b）所示，未滴加水时，四个位点的初始土壤相对湿度分别为47％（E1）、44％（E2）、52％（N1）和46％（N2）。滴加水分后，四个位点的土壤相对湿度分别增加至88％（E1）、86％（E2）、70％（N1）和78％（N2）。显然，GO所在位点土壤湿度更高，这说明其对滴加的水分有很强的亲和力。之后，随着水分的不断蒸发，四个位点处的含水量均呈下降趋势，但是GO所在位点处的土壤湿度一直高于N1和N2处。3d后，四个位点的土壤相对湿度分别为73％（E1）、74％（E2）、59％（N1）和55％（N2）。1周后，四个位点的土壤相对湿度分别为50％（E1）、57％（E2）、45％（N1）和40％（N2）。以上实验结果表明，GO在土壤中具有很好的收集水分的能力，可提高所在处土壤的含水量。

图4-14

为了探究GO对植物萌发及生长的影响，以菠菜为研究对象，将菠菜种子播种于土壤中，用不同浓度的GO（0μg/mL、50μg/mL、200μg/mL）浇灌菠菜不同位点（分别用GO0、GO50和GO200表示），并对结果进行分析。GO对菠菜萌发及生长的影响结果如图4-15所示。结果表明GO对菠菜的萌发和生长均有促进作用。前30d的种植过程中，50μg/mL GO组中菠菜的发芽率与幼苗长势均优于空白组[图4-15（a）]。对幼苗的发芽数量进行统计，结果表明，50μg/mL GO不仅加快了菠菜的发芽速率，还提高了菠菜的发芽率[图4-15（b）]。50μg/mL GO组的菠菜种子在播种5d后率先发芽，播种10d后，发芽率比GO0组高出约1倍。播种20d和30d后，GO50组的种子发芽率分别达到50％和58.3％，持续领先于空白组（20d：36.1％，30d：41.7％）。但是200μg/mL GO溶液条件下的菠菜发芽缓慢，发芽率低。这是因为过高浓度的GO含有大量的含氧官能团，使GO对水分的吸收作用与植物根部产生了竞争关系。而且研究结果表明，GO具有一定的杀菌作用，过量的GO可能破坏土壤中的微生物菌落。50μg/mL浓度的GO对菠菜的生长也有促进作用，该条件下菠菜幼苗生长得更加茂盛，具有更长的茎和更大的叶子[图4-15（c）（d）]。前30d，该条件下的菠菜幼苗始终高于空白组，但是高度差值逐渐缩小，至40d时高度接近一致。出现此现象的原因是50μg/mL浓度的GO组菠菜相对茂盛，需要吸收更多的营养。由于土壤总量固定，后期土壤的营养成分无法保证菠菜的正常生长。为了进一步研究GO对植物生长的影响，用50μg/mL浓度的GO溶液与营养液作对比，种植菠菜30d后，向空白组加入营养液。50μg/mL GO组中菠菜叶子的颜色明显变黄，空白组的菠菜则继续正常生长，40d时，两组菠菜的高度没有明显差别，空白组的菠菜总质量高于50μg/mL浓度的GO组中菠菜的总质量[图4-15（e）]。这也侧面反映出GO本身无法作为营养物质促进植物生长。

图4-15　用不同浓度的GO浇灌的菠菜的（a）幼苗生长情况、（b）种子发芽率、（c）幼苗生长高度、（d）幼苗叶子数量和（e）幼苗总质量

分别用50μg/mL GO水溶液（GO50）和同体积的水（GO0）浇灌香葱种子，探究GO对其萌发生长的影响。结果表明，50μg/mL GO同样促进了香葱的萌发，GO50组中种子的发芽率始终高于GO0组[图4-16（a）（b）]。播种30d后，GO0组和GO50组中种子发芽率差距明显，分别为20％和30％。对香葱进行为期72d的种植，收割后的香葱照片如图4-16（c）所示，两组香葱在外观上并无明显差别。播种25d、45d及72d后，分别对地上部分幼苗的高度进行测量，结果表明，在整个种植期间，两组幼苗高度始终没有明显的差别[图4-16（d）]。

图4-16

在香葱种植实验中，也将GO与营养物质进行了比较。与GO0组和GO50组相比，营养土培育的香葱幼苗生长更为挺拔翠绿且葱叶数量较多。对香葱的物理性状进行统计，结果表明，营养土培育的香葱无论是高度还是质量均显著高于GO0组和GO50组。这一结果再次证明GO本身不能作为营养物质促进植物生长。

GO为片状结构，表面含有微观褶皱。选区电子衍射谱证明GO具有sp2/sp3杂化的独特结构。其中，衍射斑点对应疏水的石墨域（sp2杂化），无定形环对应亲水的含氧官能团（sp3杂化）。XPS和FTIR光谱结果也表明GO含有大量的含氧官能团。羧基和羟基为极性亲水基团，可通过氢键与水分子结合，GO的这些极性基团使其具有良好的亲水性能。GO的保水能力测试结果表明，GO可以提高土壤的容水能力，使其所在处土壤的含水量增加，防止土壤出现板结现象，这正是GO的亲水性能所产生的有益效果。另一方面，GO具有很好的水传输性能。GO内未被氧化的sp2杂化石墨域是很好的疏水纳米通道，有利于水分子的无摩擦超快传输。GO中某些特定的含氧基团（缺陷孔处的羟基、片边缘的羧基）也有促进水分子传输的作用。

植物种子发芽需要足够的水分、适宜的温度和充足的空气，水分的提供对种子发芽至关重要。在种子发芽之初，其中的亲水物质开始吸水，当胚芽开始发育时，种子继续吸收水分。水分的吸收对植物的生长也具有重要意义：水分子参与植物的新陈代谢；水是营养物质的载体；水调节植物的体温；水是细胞的重要组成部分等。(www.xing528.com)

GO凭借其亲水性提高土壤的含水量，再通过其水传输性能为植物输送充足的水分，从而促进植物萌发与生长。在菠菜和香葱的萌发实验中，GO通过浇灌的方式添加到土壤中，GO的含氧官能团发挥亲水作用，对水分进行收集，使土壤的最大容水量增加，再通过其片内的疏水通道运输水分，为种子提供充足的水分，缩短植物的萌发时间并提高植物的发芽率。在菠菜和水稻的生长过程中，GO同样凭借其亲水性和水传输性能提高植物对水分的吸收量，提升植物的生物量，促进植物生长。在香葱种植实验中，GO对香葱的生长并无显著的促进作用，主要是因为土壤中GO含量少，仅在萌发时浇灌了100mL浓度为50μg/mL的GO水溶液，且香葱在生长过程中对土壤含水量的要求较低。

分别对GO0组和GO50组中的菠菜进行SEM、TEM和拉曼表征，结果如图4-17所示。图4-17（a）（b）分别为GO本身的SEM和TEM表征结果，其为表面带有褶皱的微米级片状结构。对冷冻干燥后的菠菜根部进行SEM表征[图4-17（c）（f）]，GO50组菠菜的根结构与GO0组无差别。对其放大观察，可以看到表皮细胞外壁向外凸起形成健康的根毛。在菠菜根部表面并未观察到相近的结构，这说明GO并未在根部表面富集。TEM表征[图4-17（g）（h）]对GO0组和GO50组菠菜的根部细胞进行观察时，两组细胞结构并无差异。同样是液泡占据了细胞的大部分面积，细胞核及部分细胞质分布于细胞边缘处。研究表明，一些纳米颗粒和CNT会进入植物细胞破坏细胞结构（如导致质壁分离和细胞质收缩等）。而GO50组中细胞结构正常，未发现任何GO的积累。拉曼光谱是检测植物体内是否含有碳纳米材料的有效方法之一，利用拉曼光谱仪对菠菜的各个器官进行表征，结果如图4-17（i）～（l）所示。2440cm-1处为菠菜自身的特征峰，GO50组菠菜的所有器官中均未检测到GO的拉曼特征峰，证明GO未在菠菜体内积累。

图4-17

GO的（a）SEM图像和（b）TEM图像；（c）（e）为无GO的土壤种植出的菠菜的根表面SEM图像；（d）（f）为50μg/mL浓度的GO浇灌的土壤种植出的菠菜的根表面SEM图像；（g）（h）分别为0μg/mL和50μg/mL浓度的GO浇灌的土壤种植出的菠菜的根表面TEM图像；（i）～（l）分别为不同GO浓度条件下主根、侧根、茎和叶子的归一化拉曼光谱

在水培条件下，GO可在水中自由运动，在植物根部富集，从而对植物产生毒性。但是通过对植物根表面及植物体内进行表征可以确定，在土培条件下，GO不会在植物的根表面富集，也不会在植物体内积累或对植物细胞产生毒性作用，即GO不会与植物发生直接接触。研究表明，在不同的培养介质中，纳米颗粒和CNT对植物所产生的影响和在植物体内的积累水平是不同的。在液态培养基中，由于运动相对自由，纳米颗粒和CNT更易在植物体内积累。而在土壤培养基中，植物体内不再有纳米材料的积累，这主要归因于纳米材料在土壤颗粒及沙子表面的附着。与此类似，当培养基质为土壤时，GO的运动和扩散受限，被土壤颗粒吸附的GO很难随着水分靠近植物根部。此外，纳米材料的尺寸和表面电荷也是影响其在植物体内积累的重要因素。植物的根会分泌大量携带负电荷的黏液，所以带正电荷的纳米材料更易被根吸收，而GO因含有大量的含氧官能团而带负电荷，静电排斥作用不利于根部对GO的吸收。另外，GO为微米级尺寸的片状材料，微米级的尺寸也使其很难被植物吸收。

石墨烯量子点是由石墨烯派生出来的一种尺寸极小的准零维材料，在生物技术方面有一定的应用。石墨烯量子点的尺寸小于细胞壁的尺寸，使得其可以轻易地穿透细胞壁，形成传送系统，调节植物的生长。Dattatray Late小组采用石墨烯量子点作为植物生长调节剂，对香菜和大蒜进行培育。实验结果表明，石墨烯量子点对植物各个器官（根、幼苗、花和叶子）的生长均有促进作用。以GO为原料制备石墨烯量子点，TEM结果显示石墨烯量子点的尺寸约为5nm。用石墨烯量子点水溶液浸泡种子3h，选择相近尺寸的种子种植到土壤中，用石墨烯量子点水溶液进行浇灌。与空白组相比，石墨烯量子点增加了香菜叶子的尺寸、花的数量，而且香菜叶片的颜色也更加青绿，如图4-18（a）～（e）所示。空白组中香菜所结的花朵数量少，叶子颜色较黄，所以石墨烯量子点还具有一定的杀虫功效。石墨烯量子点对大蒜的叶子生长也具有促进作用[图4-18（e）（f）]。

图4-18　石墨烯量子点对植物生长的影响

（a）石墨烯量子点处理过的香菜；（b）空白组的香菜；（c）石墨烯量子点处理过的香菜花；（d）空白组的香菜花；（e）石墨烯量子点处理过的大蒜；（f）空白组的大蒜

实验结果表明，石墨烯量子点处理得到的香菜的根长和根重均高于空白组。在第7、8、9周时统计香菜花朵的数量，结果表明石墨烯量子点组中花朵的数量始终高于空白组，如图4-19所示。每周对大蒜的叶子进行监测，石墨烯量子点组中叶子的长度也高于空白组。石墨烯量子点组中大蒜根的质量及根的长度与空白组相比也具有明显优势，而两组中叶子的数量并无明显区别。小尺寸的石墨烯量子点很可能与植物细胞发生了相互作用，从而促进了植物的发芽速率和生长速率。

图4-19　石墨烯量子点对植物不同部位生长的影响

Chen等研究了水培和土培条件下，GO对莜麦生长的作用。利用霍格兰营养液作为水培介质，蛭石作为土培介质，通过测试干鲜重、幼苗长度、根数量、光合作用以及植物内部结构来评价GO对莜麦的毒性。结果表明，土培条件下GO培育的莜麦的鲜重和干重与空白组相比有少许的下降。水培条件中，低浓度的GO对莜麦的鲜重和干重有一定的促进作用，高浓度的GO则会导致莜麦鲜重和干重大幅下降，有明显的抑制作用。植物高度的测试结果与鲜重和干重的变化趋势相同。植物的根长在土培条件下不受GO的影响。在水培条件下低浓度的GO会增加莜麦的根长，而高浓度的GO则会抑制莜麦根的生长。此前，Begum等的研究结果表明2mg/mL的GO对根长的抑制率高达78％。Cheng等观察到0.1mg/mL的GO对根长的抑制率为55％，对根重的抑制率为43％。在此实验中，土培条件下GO对根长的抑制率为26％，对植物地上部分的抑制率为40％，远小于水培条件下GO对根长的抑制率（93％）及植物地上部分的抑制率（96％）。

光合作用是植物将CO2转化为有机物，为自身提供能量的过程。此实验通过测试GO对植物叶绿素含量的影响来评估GO对光合作用的影响。结果表明，水培条件下，0.8mg/mL和2mg/mL的GO会降低叶绿素的含量，从而降低光合作用的速率。土培条件下，仅0.2mg/mL的GO对叶绿素的含量有较小的抑制作用，整体来看，叶绿素含量并不依赖于浓度。蒸腾作用和气孔导度也呈现出与叶绿素含量相同的趋势。

水培条件下，GO对植物的细胞结构有一定的破坏作用。结果表明，根部的表皮有一定破损，液泡也发生了不规则的变形。TEM图像显示，根部细胞发生了质壁分离。2mg/mL的GO导致细胞核和细胞器结构受损，细胞内部结构难以分辨。与其他文献报道的结果相同，水培条件下，GO引发了根部组织的氧化应激反应。而土培条件下，莜麦根部H2O2的积累水平有所下降。

此实验土壤的主要成分是蛭石，将GO和蛭石混合一定的时间，用过柱子的方法对混合物进行淋洗，并测试淋洗液中GO的含量。结果表明，混合时间越长，淋洗液中GO的浓度越低，这说明蛭石对GO的滞留效果越好。该结果充分说明土壤条件可削弱GO的迁移率从而降低GO的毒性。总体来说，GO在不同的介质中具有不同的传输和滞留行为，GO在固态介质中的流动性远小于其在液态介质中的流动性。因此，水培条件下GO对莜麦的毒性远大于土培条件下GO的毒性作用。