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中南林科大闫文德团队在环境纳米植物毒理研究方面取得新进展

来源：中南林业科技大学      2023-09-04
导读：近年来，由于纳米颗粒（NPs）独特的物理和化学性质，其在医学、催化、能源和农业等领域广泛应用，纳米颗粒排放对人类健康和生态系统的长期影响受到关注。纳米毒性可能引起植物在生理和生化方面的变化，如氧化应激反应、基因表达和组织代谢，然而，纳米尺寸诱导的植物纳米毒性尚不清晰。为了澄清这一问题，需要进行系统的研究来验证纳米颗粒尺寸与植物毒性之间的化学计量关系，以便更好地了解纳米颗粒的环境生物安全性。其中，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）是一种常见的纳米材料，广泛释放到环境中，可能对植物的生长和发育构成风险。因此，为了深入了解纳米毒性对植物的影响，有必要对ZnO NPs在植物体内的分布进行系统研究。本研究采用元素和颗粒成像技术，揭示了ZnO NPs尺寸效应相关的植物毒性影响。
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实验结果显示: （1）小尺寸ZnO NPs（5、20和50 nm）对水稻（Oryza sativa L.）的生长和生物量产生了抑制作用；（2）ZnO NP的纳米毒性导致水稻根部细胞膜受损，丙二醛含量增加，并激活了过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等抗氧化酶的活性；（3）相同剂量的Zn2+盐对水稻的生理和生化无显著影响，表明ZnO NPs来源于颗粒态Zn,而非溶解的Zn2+；（4）通过激光消融电感耦合等离子体光谱分析，我们发现ZnO NPs积累于水稻根部的根皮层和维管组织中；（5）透射电子显微镜证实，内吞的纳米颗粒主要附着在细胞膜上，并分布在根组织的细胞间隙中。我们的研究结果表明，颗粒大小决定了ZnO NPs的水稻根毒性。这项研究为我们深入了解环境纳米颗粒的植物毒性提供了直接证据，在纳米技术在农业应用和环境安全领域的研究具有重要意义。
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Scheme 1. 基于元素和颗粒成像技术的氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）的水稻（Oryza sativa L.）根组织分布和毒性效应
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Figure1. 不同ZnO NPs处理下的水稻生长状况
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Figure2. 不同处理下水稻根系氧化损伤差异
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Figure 3. 激光消融电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）和透射电子显微镜（TEM）对水稻根截面的成像分析

研究成果以“Particle Size Determines the Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles in Rice (Oryza sativa L.) Revealed by Spatial Imaging Techniques”为题发表在环境与生态领域顶级期刊《Environmental Science & Technology》（2022 ，IF=11.357）上。第一作者为2021级博士研究生李自迁，中南林业科技大学为第一通讯作者单位，李永副教授和中国科学院生态环境研究中心刘倩研究员为通讯作者。该研究由“南方林业生态应用技术国家工程实验室”修复生态团队与中国科学院“环境化学与生态毒理学国家重点实验室”江桂斌院士团队共同完成，是继“Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 8035−8043”发表后的又一成果，充分体现双方协同育人、科教创新的协作能力。研究得到湖南省科技创新计划项目（2022RC1118）和湖南省林业科技创新杰出青年项目（XLKJ202303）的支持。

全文参见：

Ziqian Li, Wende Yan, Yong Li*, Yunmu Xiao, Yang Shi, Xuyuan Zhang, Junjie Lei, Ke Min, Yuliang Pan, Xiaoyong Chen, Qian Liu*, and Guibin Jiang. Particle Size Determines the Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles in Rice (Oryza sativa L.) Revealed by Spatial Imaging Techniques. Environ. Sci. Technol. 2023, 3c03821.


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