蚕豆对金纳米簇的吸收、转运及植物毒性反应研究

With the extensive use of engineering nanomaterials, the potential environmental pollution and ecological effects have also been highly concerned. They first enter the plants of the primary produce and passed in the ecosystem, so it is crucial to investigate the plant biological effects caused by nanomaterials. Because the size of nanomaterials used in previous studies is larger than that of cell walls, as a result, most of the nanomaterials do not enter the plants. Therefore, the result can not accurately reflect the plant absorption, transport and phytotoxicity of nanomaterials. To solve this problem, we try to break through the physical barrier of nanomaterials entering plant cells by using gold nanoclusters with a size smaller than the cell wall aperture. The photoacoustic imaging derived from of gold nanoclusters was used to revealed the distribution and translocation of nanomaterials in plants, and draw lessons from the classical Vicia faba micronucleus method, the rapid evaluation method of phytotoxicity of nanomaterials is also explored. Photoacoustic tracing of gold nanoclusters in Vicia faba plants and changes in the growth and development of faba bean were used to elucidate the mechanism of their interaction. It is expected to provide an important theoretical basis for the effective utilization of engineering nanomaterials and ecological safety assessment.

广泛使用的工程纳米材料会引发环境污染和生态效应。它们通过初级生产者植物而在生态系统中传递下去，所以明确纳米材料引发的植物生物效应成为研究的关键。在已有报道中，人们往往使用尺寸大于植物细胞壁孔径的纳米材料，这导致多数的纳米材料并没有进入植物体内，因此研究结论不能准确地反映植物对纳米材料的吸收、转运和植物毒性机制。针对这个问题，我们试图利用尺寸小于细胞壁孔径的金纳米簇来突破纳米材料进入植物细胞的物理障碍，并通过金纳米簇具备的光声成像特性揭示其在植物体内的分布及转运规律，同时借助于模式植物蚕豆的微核技术探索一种纳米材料植物毒性的快速评价方法。从金纳米簇在蚕豆植株体内光声成像示踪和蚕豆生长发育变化两个角度来阐述两者的相互作用机制，以期为有效的利用工程纳米材料以及生态安全评价提供重要的理论依据。

本实验采用仅有几十个原子构成的小粒径金纳米簇（AuNCs）为供试材料，以粒径相对较大的金纳米颗粒（AuNPs）为对照，蚕豆为实验植物。通过测量蚕豆的萌发指数、抗氧化系统酶活性、脂质过氧化物的含量以及相关的生物量等，探索纳米材料对植物的生物效应。同时利用荧光光谱仪、透射电子显微镜、火焰原子吸收光度仪观测蚕豆幼苗对AuNCs的的吸收、转运情况。以微核实验结果评价纳米材料对植物毒性。为快速评价植物对纳米材料的响应和反馈等生态效应提供理论依据。.结果如下表明：.（1）100 mg/L及以上浓度AuNCs对环境存在潜在风险，且300 mg/L及以上浓度AuNCs会影响蚕豆根尖有丝分裂.（2）AuNCs处理后基本不影响蚕豆种子的萌发。在实验浓度范围内，对蚕豆种子发芽率、发芽势和发芽指数影响规律总体呈现先上升后下降，但未出现显著性差异（P＞0.05），说明AuNCs溶液在蚕豆种子发芽阶段没有显著的影响。AuNCs溶液在低浓度的情况下对蚕豆幼苗的株高、主根长及干重具有一定程度上的促进作用，当AuNCs浓度继续升高，促进作用降低，直至产生抑制作用。AuNPs处理组与AuNCs处理组影响趋势基本相同。.（3）生理方面，当AuNCs浓度大于100 mg/L时，蚕豆细胞出现过氧化损伤。高浓度的AuNCs使得蚕豆体内活性氧的含量升高，此时抗氧化系统做出应对措施——抗氧化酶活性升高以清除过量的活性氧，当活性氧含量过高，超出保护酶的调节范围，就会对植造成氧化损伤，导致细胞结构被破坏。.（4）两种纳米材料均可吸附于蚕豆幼苗根尖的表面，AuNCs较AuNPs更易被根系吸收，说明纳米颗粒对植物的影响受粒径大小的制约。关于两种纳米颗粒在蚕豆体内的存储：根系主要为细胞壁，地上部主要为细胞质，说明蚕豆幼苗对于纳米材料的胁迫反馈，根部与地上部分解毒机制不同，而受植物区格化保护的影响，细胞器中金元素含量最少。