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中南林科大閆文德團隊在環境納米植物毒理研究方面取得新進展

來源：中南林業科技大學      2023-09-04
導讀：近年來，由于納米顆粒（NPs）獨特的物理和化學性質，其在醫學、催化、能源和農業等領域廣泛應用，納米顆粒排放對人類健康和生態系統的長期影響受到關注。納米毒性可能引起植物在生理和生化方面的變化，如氧化應激反應、基因表達和組織代謝，然而，納米尺寸誘導的植物納米毒性尚不清晰。為了澄清這一問題，需要進行系統的研究來驗證納米顆粒尺寸與植物毒性之間的化學計量關系，以便更好地了解納米顆粒的環境生物安全性。其中，氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）是一種常見的納米材料，廣泛釋放到環境中，可能對植物的生長和發育構成風險。因此，為了深入了解納米毒性對植物的影響，有必要對ZnO NPs在植物體內的分布進行系統研究。本研究采用元素和顆粒成像技術，揭示了ZnO NPs尺寸效應相關的植物毒性影響。
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實驗結果顯示: （1）小尺寸ZnO NPs（5、20和50 nm）對水稻（Oryza sativa L.）的生長和生物量產生了抑制作用；（2）ZnO NP的納米毒性導致水稻根部細胞膜受損，丙二醛含量增加，并激活了過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等抗氧化酶的活性；（3）相同劑量的Zn2+鹽對水稻的生理和生化無顯著影響，表明ZnO NPs來源于顆粒態Zn,而非溶解的Zn2+；（4）通過激光消融電感耦合等離子體光譜分析，我們發現ZnO NPs積累于水稻根部的根皮層和維管組織中；（5）透射電子顯微鏡證實，內吞的納米顆粒主要附著在細胞膜上，并分布在根組織的細胞間隙中。我們的研究結果表明，顆粒大小決定了ZnO NPs的水稻根毒性。這項研究為我們深入了解環境納米顆粒的植物毒性提供了直接證據，在納米技術在農業應用和環境安全領域的研究具有重要意義。
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Scheme 1. 基于元素和顆粒成像技術的氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）的水稻（Oryza sativa L.）根組織分布和毒性效應
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Figure1. 不同ZnO NPs處理下的水稻生長狀況
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Figure2. 不同處理下水稻根系氧化損傷差異
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Figure 3. 激光消融電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）和透射電子顯微鏡（TEM）對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”為題發表在環境與生態領域頂級期刊《Environmental Science & Technology》（2022 ，IF=11.357）上。第一作者為2021級博士研究生李自遷，中南林業科技大學為第一通訊作者單位，李永副教授和中國科學院生態環境研究中心劉倩研究員為通訊作者。該研究由“南方林業生態應用技術國家工程實驗室”修復生態團隊與中國科學院“環境化學與生態毒理學國家重點實驗室”江桂斌院士團隊共同完成，是繼“Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 8035?8043”發表后的又一成果，充分體現雙方協同育人、科教創新的協作能力。研究得到湖南省科技創新計劃項目（2022RC1118）和湖南省林業科技創新杰出青年項目（XLKJ202303）的支持。

全文參見：

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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