黄土高原缺锌土壤施用纳米氧化锌（ZnO-NPs）对作物的增锌机制及潜在环境风险

Zinc content in crops cannot meet the need of human being in loess plateau, where is a typical zinc deficiency area in China. Seeking for a new and effective way to increase zinc content is urgent due to the limitation of traditional methods by applying normal zinc fertilizer. The project intents to supply zinc to crops with pots and field trials through using ZnO nanoparticles (ZnO-NPs) as zinc fertilizer. It will focus on the mechanism of physiological effects of wheat and maize affected by ZnO-NPs, zinc increasing effect in crops, zinc distribution in crops and the potential risk in environment after applying ZnO-NPs. It is expected to clarify the effect pathway and mechanisms of ZnO-NPs on different crops and varieties, evaluate the agronomic application and potential of ZnO-NPs scientifically and find an effective way to increase zinc in soil-crops system in the zinc deficiency area through the study of this project.

黄土高原为我国的典型缺锌区，食物Zn含量无法满足人体营养需求，该地区土壤上采用传统的补锌方法对作物增锌效果有限，寻找新的补锌措施便显得尤为重要。本项目拟以ZnO-NPs作为锌肥进行作物补锌，通过盆栽和大田试验，重点探讨ZnO-NPs对小麦和玉米的生理影响机制、施用ZnO-NPs的作物增锌效果、锌在植物体内的分配及施用ZnO-NPs后的潜在环境风险。通过本项目的研究，可望阐明ZnO-NPs对不同作物和品种的作用途径和影响机理，科学评价ZnO-NPs的农艺应用和潜力，探讨缺锌区土壤-作物补锌的新型有效措施。

ZnO纳米颗粒（NPs）作为缓解人类锌缺乏的潜在解决方案而在农业领域的应用在迅速增加，但其作用效果和机制以及作物生长交互影响仍不清楚。本项目通过发芽、盆栽和大田试验研究了ZnO NPs的施用方式以及用量对小麦发芽、生长及籽粒品质的影响，通过水培实验研究了ZnO NPs对玉米生长的交互影响。小麦发芽试验中，ZnSO4 在高剂量下比ZnO NPs毒性更大，对种子萌发，根长，苗长和幼苗干生物量的抑制作用更强。结构性的根损伤和酶活性的变化要大于ZnO NPs处理，而氧化锌纳米颗粒没有引起不同于ZnSO4的毒性。X射线衍射（XRD）表明，ZnO NPs处理在小麦组织中没有检出纳米颗粒晶体。表明ZnO NPs处理不具有纳米颗粒累积和传递风险。大田试验中，不同ZnO NPs处理对于冬小麦产量及其构成因素和籽粒品质未造成显著影响。FZnO和SFZnO比FZn处理的籽粒锌含量在第一年分别提高了36%和45%，在第二年分别提高了12%和24%。通过X射线荧光显微镜和X射线吸收光谱进行检测发现，该锌主要位于糊粉层和谷物的折痕组织，使用ZnO NPs也会使胚乳中的锌含量略有增加。籽粒内锌以磷酸锌的形式存在，而与锌的施用形式无关。同时结合激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）来测定Zn在籽粒内的分布发现，ZnO-NPs增加了小麦籽粒中的Zn浓度达到40 mg·kg-1，籽粒其他微量元素也在糊粉层和折痕组织中积累。重要的是，与对照相比，籽粒胚乳中的锌浓度增加了近30倍，其中可食部分中的锌含量显着增加。表明，ZnO NPs是增加小麦籽粒中Zn的合适肥料，可用于改善人类锌营养。通过水培试验研究ZnO NPs与玉米生长的交互作用。基于同步加速器的X射线荧光显微镜（μ-XRF）结果表明，40 nm ZnO NPs进入玉米的通道有限，而9 nm ZnO NPs可以迅速进入玉米根部并到达茎的中心柱运输系统。使用透射电子显微镜（TEM）结合能量色散X射线光谱和选择区域电子衍射（SAED），我们证实了ZnO NPs（尤其是在9 nm处理中）被内化并积聚在根的液泡中。进一步的分析表明，根内的一些ZnO NPs易位到枝条上，但酸性根液泡中的许多ZnO NPs似乎溶解缓慢并释放出可溶性Zn。酶活性和锌含量的结果表明，ZnO NPs的植物毒性和粒径直接相关。