水培条件下GO对植物吸收金属的影响

已有研究表明，MWCNT和富勒烯会增加农药在植物中的积累。富勒烯会放大异型生物质对藻类和甲壳虫的毒性，并增加其在生物体内的积累。敌草隆会吸附到CNT上对小球藻产生毒性。Fe2O3和Al2O3纳米颗粒会显著增加砷（As）在模糊网纹蚤体内的积累。纳米材料对植物的间接毒性除了体现在增加生物体内有毒物质的积累量之外，还会影响物质在生物体内的运输、代谢及生物的基因表达、蛋白和酶的形成。纳米材料对植物产生的间接毒性也逐渐成为研究热点。

在水体中，GO对重金属的强吸附性很可能会对植物产生间接毒性，Yin等对GO和Cd2+在水培条件下对水稻和玉米的生长影响进行了研究。在5mg/L的Cd2+溶液中，加入不同质量的GO，探测不同时间内GO对Cd2+的吸附情况。结果表明，GO对Cd2+的吸附反应在1min内达到平衡，而且随着GO浓度的增加，反应时间继续缩短，溶液中Cd2+的量也相对减少。GO和Cd2+单独存在或共存时对水稻种子发芽率和生长的影响结果如图5-27（a）～（c）所示。GO或Cd2+单独存在时均对水稻的种子发芽率有抑制作用，但是并未发现GO与Cd2+共存时对水稻种子发芽率产生的协同作用。GO或Cd2+单独存在时均对种子的根和芽的生长有抑制作用，但是两者共同存在时，种子的根和芽的长度却随着GO浓度的增加而有所增加。GO或Cd2+对植物发芽和生长的抑制作用都分别被报道过。GO对植物的毒性作用主要是因为GO会诱发植物的氧化应激反应。Cd2+对植物的毒性则体现在其会干扰植物体内的生理和生物化学进程，阻碍植物的光合作用和呼吸作用，从而造成不可逆的损伤。

图5-27　GO和/或Cd2+对水稻种子（a）发芽率、（b）芽长和（c）根长的影响

图中“a”“b”“c”分别代表在对应的测试条件下，不同样品的种子发芽率、芽长、根长差异较大，对其进行方差分析

以玉米为研究对象，探究了GO与Cd2+单独存在或共存时对玉米生长和玉米吸收Cd2+的影响。茎和根的鲜重变化趋势与水稻的生长趋势一致，可能是因为GO可以降低Cd2+在玉米茎中的活性，从而减少Cd2+对植物生长的毒性作用。低浓度的GO会降低玉米茎中Cd2+的浓度，而高浓度的GO则会增加玉米茎中Cd2+的浓度。在水培条件下，植物的根部会黏附大量的GO，GO本身吸附了Cd2+，则根可以更加便捷地吸收GO表面的Cd2+，所以随着GO浓度的增加，根部的Cd2+含量也有所增加。但是当环境中Cd2+的浓度较低（5mg/L）时，GO并不会对根部的Cd2+含量有明显的影响。这主要是因为GO相对于Cd2+的量是过剩的，GO对Cd2+的吸附作用要强于植物对Cd2+的吸附作用。低浓度的GO（100mg/L）会降低茎中Cd2+的含量，可能是因为低浓度的GO对玉米的根有轻微的损伤，导致Cd2+在根部大量滞留。但提升GO的浓度，对应的植物细胞受损严重，Cd2+就被从根部运输至茎部。

Qixing Zhou小组研究了水培条件下GO对小麦中As毒性的放大作用。As在自然界中广泛存在，在农药、杀虫剂和除草剂中有广泛应用。As是一种毒性很强的物质，三氧化二砷即为砒霜。As对动物和人类的健康有着巨大的威胁。已有研究表明，GO可直接吸附As或者对As元素进行间接转化。该小组以小麦作为研究对象，探究了GO对小麦中As的吸收、转移、代谢和As产生分子毒性的影响。具体从以下几个方面进行探究：GO通过影响As的毒性而抑制小麦的生长，并诱发氧化应激反应；GO对植物代谢调节产生的毒性；GO对细胞结构的损害及细胞对GO和As吸收水平的影响；GO的化学相互作用对As的吸收及转化的影响；GO的生物相互作用（包括基因表达或酶催化作用）对As的吸收及转化的影响。用空白组、10mg/L As（V）（As10）、0.1mg/L GO（GO0.1）、1mg/L GO（GO1）、10mg/L GO（GO10）、As10+GO0.1（AsGO0.1）、As10+GO1（AsGO1）和As10+GO10（AsGO10）对小麦进行水培，实验结果如下。

（1）GO对As毒性具有一定的放大作用。如图5-28（a）所示，与空白组相比，As和GO对种子发芽率的影响不显著，As对发芽率和根的数量有轻微的提升作用。但是GO和As共同存在时茎长显著变小，而且变小程度随GO浓度的升高而升高。与空白组相比，AsGO10组中茎的长度和鲜重明显减少。叶绿素、MDA含量及POD和SOD的酶活性的测试结果也均表现出了对植物生长的抑制作用[图5-28（b）]。

图5-28　暴露在As和GO条件下的小麦的（a）生长水平和（b）氧化应激水平(www.xing528.com)

（2）GO对植物代谢调节产生的毒性。对65种与主要代谢途径（糖类代谢、氨基酸代谢、次生代谢、脂肪酸代谢和尿素循环）相关的代谢物质进行分析，结果表明，在茎部的57种代谢物质中，有9种代谢物质对叶绿素b的合成有积极的作用，但AsGO导致了9种代谢物质中的2种物质含量下降。其余的48种代谢物质对叶绿素b的合成具有抑制作用。结果显示，AsGO增加了这48种代谢物质的含量。与空白组、单独As处理组和单独GO处理组中的小麦相比，AsGO组中小麦的糖类代谢受到抑制，氨基酸代谢和次生代谢有所增强，脂肪酸代谢和尿素循环受到严重干扰。糖类代谢受到抑制的直接结果是能量供应不足，所以植物的生长会受到抑制。糖类代谢也是膜完整性的一个指标，糖类代谢受到抑制会导致细胞电解液渗出。氨基酸代谢和次生代谢则是细胞应激反应的体现。AsGO对脂肪酸代谢的干扰，增加了饱和脂肪酸的含量，引起膜流动性的下降，导致膜结构受损。对尿素循环的干扰主要体现为提升了氨基酸（赖氨酸、苏氨酸、天冬酰胺和异亮氨酸）的积累。

（3）GO对细胞结构的损害及细胞对GO和As吸收水平的影响。利用FTIR和电解质渗出率法对根部细胞进行研究。AsGO增加了细胞表面的氨基、羟基、纤维素和多糖的含量，这意味着细胞壁和质膜的结构被破坏。电解质渗出率可反映细胞膜透性，结果表明，GO对膜透性无明显影响，AsGO增加了电解液的渗出，增大了膜透性，而且这种膜损伤具有浓度依赖性。通过TEM表征进一步观察到了细胞壁和质膜的结构损伤，如图5-29所示。空白组中，质膜与细胞壁紧密贴合，但在AsGO组中，质壁分离现象非常明显，根细胞的椭圆形轮廓变得不规则[图5-29（a）～（d）]。正常情况下，叶绿体应该贴附在质膜上且类囊体清晰可见，但在AsGO组中，椭圆形的叶绿体变成了圆形并远离了质膜，而且类囊体的结构也明显受损，如图5-29（e）～（g）（黄色箭头和黑色箭头指示部分）所示。TEM图像中质膜的弯曲清晰可见，如图5-30（h）（蓝色圈指示部分）所示，这可能是GO导致细胞膜透性提升，GO和As通过质膜进入细胞的结果。在根部明显观察到了GO的沉积物，AsGO组中的沉积量更大，如图5-29（h）（蓝色箭头指示部分）所示。进一步用拉曼光谱验证细胞中的深色点状沉淀的成分，GO的两个特征峰信号明显。利用TEM-EDX对As进行半定量的检测，结果发现GO沉积物处As的含量高于其他位置，根细胞中，GO沉积物处As的含量为0.5％，其他位置为0.1％；茎细胞中，GO沉积物处As的含量为0.4％，其他位置为未检测到As。以上结果说明，As很可能是通过负载到GO表面而被植物所吸收的。而且GO会导致细胞结构受损，此类细胞更易摄取GO和As。

图5-29　植物细胞的TEM图像

（a）～（d）中的紫色箭头指示细胞壁；（c）（d）中的绿色箭头指示细胞质中GO的沉积；（e）～（h）中的黄色箭头指示叶绿体，黑色箭头指示类囊体；（g）（h）中的蓝色箭头指示细胞质中GO的沉积；（h）中的蓝色圈指示质膜

（4）GO通过基因表达和酶催化作用对As的吸收及转化进行调节。利用液相色谱-等离子体电感耦合质谱仪（HPLC-ICP-MS）对As（V）的吸收和转换进行定量分析。如图5-30（a）所示，植物对As的摄取率很高，无GO存在时，植物对As的吸收率为19.9％。不同浓度的GO存在时，植物对As的吸收率分别为24.6％（GO0.1）、32.1％（GO1）和16.1％（GO10）。前两个浓度对As的吸收有促进作用，GO10则降低了As的吸收率。前两个浓度对As的吸收有促进作用，GO10则降低了As的吸收率，这说明GO的浓度至关重要。每个实验组中，均检测到了As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的存在，说明小麦中确实存在着As（Ⅴ）向As（Ⅲ）的转化。As单独处理的小麦中还检测到了为无机As解毒的二甲基砷酸（DMA）。GO的存在增强了As（Ⅲ）在根部的积累，并抑制了DMA的生成。GO通过将As进行化学转化，增大了As对小麦的毒性。为进一步探究GO对As的吸收和转换的影响，进行了GO与As（Ⅴ）的水相反应，结果如图5-30（b）所示。在仅有As存在的情况下，有13.4％的As（Ⅴ）转化为As（Ⅲ）。在GO0.1、GO1和GO10组中，GO并未体现出对As（Ⅴ）转化为As（Ⅲ）的促进作用。但GO对As（Ⅲ）的吸附能力很强（73.5％～76.6％），且吸附不受GO浓度的影响。GO对As的总吸附量随GO浓度的增加而增加，分别为3.1％（GO0.1）、8.9％（GO1）和12.1％（GO10）。再进一步从生物的角度进行分析。图5-30（c）为一些关键的酶和基因的检测结果。低浓度的GO0.1和中等浓度的GO1可以促进磷酸盐转运蛋白基因的表达，实现对As的传输。高浓度的GO10则抑制了此基因的表达。GO对砷酸盐还原酶的活性影响也表现出了与转运蛋白基因一样的趋势。酶的活性随着GO浓度的增加先升高而后又下降。综上，GO是通过化学和生物的共同作用，对As在植物中的积累和As的种类转化进行调节的。以往的研究中，当GO的浓度不是很高时，其生物毒性表现得并不明显。当10mg/L的As单独存在时，其对小麦的毒性也不是很显著。但是，当As和GO共同存在时，即使GO的浓度仅为0.1mg/L，两者的协同作用仍然会对植物产生很大的毒性。

图5-30　GO对As的积累和种类转化的调节