论文部分内容阅读
目前我国土壤存在严峻的重金属污染问题，其中以镉(Cd)的污染问题尤为严重，且Cd在土壤中活性非常高，易被植物吸收和积累。同时，作为目前应用最为广泛的纳米材料之一，纳米银（AgNP）可通过多种途径进入土壤并被生物富集。植物吸收和累积土壤中的Cd和AgNP，会造成食品安全问题，危及动物和人类健康。本文以Cd和AgNP为研究对象，重点考察土壤金属和金属纳米颗粒的生物效应和食物链迁移规律:研究了不同品种的生菜对Cd的耐性差异及其作用机制;考察了Cd在细胞内的再分布过程以及同营养级传递效率的关系;分析了土壤环境中广泛存在的由微生物产生的胞外聚合物(EPS)对AgNP环境行为及其植物毒性的影响;运用单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)技术研究了植物对AgNP的内化行为，并探讨了AgNP在陆生生态系统食物链中的传递规律。主要研究成果如下: (1)镉在生物体内的化合态分布和亚细胞分布有助于评价Cd的生物毒性。通过盆栽试验和细胞氧化性损伤分析发现，Cd暴露后的Lactuca sativa L.var.longifolia（L.longifolia）细胞内超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性受到显著抑制，而过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)水平受到显著激发，而Lactuca sativaL.var.crispa(L.crispa)细胞中并没有发现相关现象，说明了与L.crispa相比，L.longifolia对Cd更加敏感。Cd的毒性与其在细胞内的化学形态及亚细胞分布密切相关。L.crispa细胞内有54-63％的Cd结合于果胶酸盐与蛋白成分而解毒，而L.longifolia中的Cd更多地以水溶态形式(33-39％)存在或结合在细胞器中进而产生毒性作用。此外研究还发现，基于化学方法分区的金属化合态分布与基于生物方法分区的金属亚细胞分布有很好的相关性(p＜0.005)。两者相互结合可以更好地预测金属的植物毒性。 (2)考察了Cd沿土壤-生菜-蜗牛的食物链传递机制。运用Cd的亚细胞分布和化合态分布分区手段，将进入到细胞内的Cd分成不同的库，发现两种生菜（L.longifolia和L.crispa）间存在显著差异。镉在细胞内的赋存形式和归趋不仅影响生菜对Cd的耐受能力（L.crispa更加耐受），也会影响Cd向高营养级生物（蜗牛）的传输效率。研究发现，生菜体内无机态、水溶态和果胶酸脂结合态的Cd(r2=0.72，p＜0.0001)含量相比于金属总量、亚细胞分布及其他化合态分布组合含量能更好地解释蜗牛体内Cd的积累。28天暴露试验结束后，Cd主要被截留在蜗牛内脏部分且可沿陆地系统食物链进行生物放大（生菜到蜗牛软体组织的迁移系数＞1）。 (3)通过小麦（Triticum aestivum L.）的48 h根伸长试验发现，恶臭假单胞杆菌（Pseudomonas putida）的胞外聚合物(EPS)可以显著降低AgNP对小麦的根毒性。与对照相比，EPS处理的小麦相对根伸长增加7-59％，根生物量增加8-99％，MDA含量降低26-32％，H2O2含量降低11-43％。这主要是因为EPS显著降低了溶解性银离子([Ag]diss)的含量并形成了AgNP-EPS络合物，降低了Ag+的生物有效性，最终导致小麦根中银积累量的降低（降低了7-79％）。FTIR图谱分析发现，EPS中胺基，羟基和磷酸基团参与了此反应。本研究结果表明EPS对AgNP在陆地系统中的生物地球化学过程有显著影响。 (4)在仪器的优化参数条件下，spICP-MS对AgNP尺寸检测范围为14＜30-100＜200 nm，颗粒浓度检测范围为5，000～100，000 NPs mL-1。spICP-MS对AgNP的检测非常敏感，可以检测环境样品中低达ng L1的AgNP。MacerozymeR-10可用于提取植物组织中的AgNP，提取过程不会导致AgNP的溶解和团聚以及Ag+与AgNP间的相互转化。但Macerozyme R-10对生物固体样品中AgNP的提取效率有限，有超过91％的AgNP仍被滞留在植物固相。因此，实际植物样品中AgNP的颗粒浓度在很大程度上被低估。虽然Macerozyme R-10提取耦合spICP-MS检测方法不能定量分析生物样品中纳米颗粒的浓度，但该技术可提供生物体内准确的纳米颗粒粒径分布信息，定性地检测生物体内的纳米颗粒。 (5)考察了不同暴露途径（叶面喷施暴露和根系水培暴露）下AgNP对大豆和水稻幼苗生长的影响。植物应对叶片暴露和根系暴露的响应机制不同，根系暴露途径下植物积累的Ag远小于同剂量的叶面喷施暴露（生物富集因子:根系暴露0.1-4.4＜叶面暴露3.0-19.0），但植物却受到更加明显的毒害作用。此外，本研究首次采用Macerozyme R-10提取耦合spICP-MS检测的方法，分析了植物提取液中的AgNP并直接给出了纳米颗粒的粒径分布信息。被植物体内化的AgNP倾向于在植物体内团聚成40-50 nm的大颗粒，该现象也进一步通过TEM-EDS技术予以印证。植物暴露Ag+7天后，体内也检测到了次级纳米银颗粒，表明植物自身能够合成纳米银颗粒且植物体内存在着Ag+和AgNP的相互转化过程。 (6)蜗牛经过8天的食物相银暴露试验后，进入到蜗牛体内的银主要被截留在蜗牛的胃肠道或通过粪便排出体外，银从生菜到胃肠道的迁移系数高达98±36 mg kg-1 dw，而蜗牛的肝、肾和其他内脏组织并没有积累Ag。蜗牛各组织中银浓度依次为:胃肠道＞＞足＞肾脏＞肝脏＞其他内脏组织。通过组织病理学H&E切片染色分析发现，Ag可导致蜗牛胃肠损伤、局部粘膜上皮细胞水肿甚至糜烂脱落。