纳米颗粒的植物吸收与传输机理研究

Widespread application of nanomaterials raises vital scientific questions on their environmental behaviors and potential toxicities. Plants comprise a very important living component of terrestrial ecosystems, and plant uptake and accumulation may provide a potential pathway for the entering of nanoparticles (NPs) into the food chain. However, studies of plant uptake of NPs are very limited, and conflicting results exist with regard to plant uptake of NPs. Therefore, the aim of this proposal is to investigate the uptake, transport and accumulation of metal(oxide)-NPs by plants as well as their speciation and microstructure transformation process. Research details include: 1) use a combination of comprehensive analytical techniques including synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy (XAS) and micro X-ray fluorescence (μ-XRF), labeling combined with fluorescence imaging microscopy, high resolution transmission electronic microscopy (HRTEM), selected area electron diffraction (SAED)，laser scanning confocal microscope (LSCM) and so on to investigate the uptake, transport and accumulation of (oxide)-NPs by plants; 2) elucidate the mechanisms of the uptake, transport and transformation of NPs in plants by thoroughly investigating the uptake and transport of NPs with different phycochemical properties such as dissolution, ζ-potential and hydrophobicity by different types of plants under different physiological conditions; 3) investigate the impact of environmental conditions such as solution pH and ion strength and the presence of coexisting substances such as dissolved organic carbon, root exudates and phosphate on the dissolution and microstructure transformation of NPs and the resulted influence on plant uptake of NPs. The research of this project is of significance in understanding the behavior and potential ecotoxicity of NPs in the environment.

随着纳米材料的广泛应用，纳米颗粒的环境行为及其毒性效应是我们面临和必须明确的科学问题。植物是陆生生态系统的重要组成部分，植物吸收和富集是纳米颗粒迁移转化及其进入食物链的重要潜在途径，但是目前对于纳米颗粒的植物吸收、迁移和累积的研究非常有限，纳米颗粒是否可以进入植物体也还存在争议。为此，本项目重点研究植物对金属（氧化物）纳米颗粒的吸收、传输和累积及形态转化过程。结合同步辐射X射线吸收光谱和各种显微技术以及荧光纳米颗粒示踪等手段，研究金属（氧化物）纳米颗粒植物吸收、传输及形态转化；通过研究不同植物对不同性质金属（氧化物）纳米颗粒的吸收与传输以及调节植物生长生理对植物吸收纳米颗粒的影响，揭示植物对纳米颗粒的吸收、传输及转化的过程机制；研究环境因素以及共存可溶性有机碳、根系分泌物和磷酸盐等与纳米颗粒的相互作用对纳米颗粒微观结构和植物吸收的影响。此研究对认识纳米颗粒的环境行为与生态效应有重要意义。

针对纳米颗粒是否可以进入植物体仍存在争议的研究现状，本项目系统研究了植物对金属（氧化物）纳米颗粒的吸收、传输、累积及形态转化过程。研究首先建立了基于同步辐射X射线吸收光谱、二次离子质谱、高角暗场扫描透射电镜及荧光纳米颗粒示踪等技术研究纳米颗粒植物吸收、传输及转化的有效分析手段。在此基础上以玉米为模型植物研究了植物对一系列不同性质金属（氧化物）纳米颗粒的吸收、传输与形态转化，结果表明纳米颗粒的生物有效性主要源自纳米颗粒溶解释放的离子，且在植物体的形态转化程度与纳米颗粒的溶解度有关。进一步深入研究了ZnO NPs的植物吸收、传输以及形态转化的微观机制。研究发现有少量ZnO NPs直接进入根，分布在表皮层、皮层及根尖区域。从根尖区域进入的纳米颗粒由于根尖组织结构不完整，可以继续向上传输，并利用侧根-根结合处凯氏带的缺陷进入主根木质部，但研究未在植物茎叶中发现ZnO NPs。研究发现共存磷酸盐对ZnO NPs的环境过程和微观结构有显著影响，ZnO NPs表面水解形成羟基化的无定形Zn(OH)2层，部分Zn脱离纳米颗粒表面释放形成水合Zn2+离子，溶液中Zn2+迅速被磷酸盐络合形成磷酸锌盐，并随反应进行逐渐形成磷酸锌晶体，同时也有部分磷酸盐与表面羟基交换吸附在颗粒表面，形成无定形的磷酸锌层，难溶的磷酸盐也能促进ZnO NPs的形态转化，但转化速率较慢。为了回答纳米颗粒是否能进入细胞，以及在细胞内发生怎么的累积和形态转化，选择单细胞的莱茵衣藻为模型植物系统研究了纳米银的细胞吸收、累积与转化机制。研究证明纳米银能以颗粒方式穿过细胞壁进入细胞壁膜间隙，而进入细胞质内的银则主要来源于纳米银解离释放出的银离子的贡献。细胞质内银被区室化隔离，且发生化学形态的转化，生成无定型的银-巯基络合物和晶体态β-硫化银。本研究阐述了纳米颗粒的植物吸收、传输与形态转化及机制，为认识纳米颗粒的环境行为提供了科学依据，同时也为纳米颗粒与生物作用分子机制研究提供了有意义的技术参考。