氧化铜纳米颗粒形态转化及其植物累积和毒性作用机制

纳米氧化铜是一种重要的金属纳米材料，但其环境行为、生态毒理及风险还有待探索。植物作为环境和生态系统的重要组成部分，可能成为食物链中纳米颗粒迁移转化和生物累积的潜在路线和途径。本项目以铜耐性植物海州香薷和典型农作物水稻作为模型植物，利用同步辐射X-射线技术联合细胞和基因毒性分析等方法，研究溶液不同环境条件下氧化铜纳米颗粒的表面性质与聚集/解聚特性，筛选合适的分散剂与分散条件；明确氧化铜纳米颗粒金属溶出和形态转化与植物吸收累积的关系；探索氧化铜纳米颗粒吸收与根细胞壁孔径的关系；弄清植物中氧化铜纳米颗粒的形态转化及细胞分布定位；揭示氧化铜纳米颗粒对植物的细胞和基因毒性效应；阐明环境中氧化铜纳米颗粒的形态转化及植物累积和毒性作用机制，为科学评估金属纳米颗粒的生态环境风险，推动我国纳米科技健康可持续发展提供理论依据。

随着金属纳米颗粒（MNPs）的广泛使用，使得其在生产、运输、使用和处置过程中都有可能进入环境，并发生一列的形态转化。植物作为生态环境中的必要成分在为动物和人类提供食物来源中起到了重要的作用。但环境中的MNPs可能会植物吸收并在植物中迁移转化，同时引起植物毒性，造成一定的环境与生态风险。本项目研究主要通过室内模拟实验，考察环境因素对氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）环境行为的影响，分析不同植物对CuO NPs的吸收累积差异，同时结合多种同步辐射技术原位表征CuO NPs在植物中的累积分布和迁移转化，探究CuO NPs对植物细胞的毒性效应及作用机制。研究主要发现：1）pH接近CuO NPs等电点、离子强度和离子价态增加、天然有机质浓度降低都会加剧NPs的团聚和沉降，这与不同环境因素改变了颗粒间相互作用力有关。2）环境pH的降低以及小分子天然有机质的存在都会大幅度促进CuO NPs的溶解。胡敏酸的存在抑制了CuO NPs的植物吸附和（或）吸收。与农作物黄瓜和水稻相比，铜耐性植物海州香薷对CuO NPs具有更强的富集特性与累积能力。3）CuO NPs可以被植物吸收并转移到叶片中。CuO NPs能够进入植物根表皮、外皮层和皮质，并最终到达内皮层，却仍然很难穿过凯氏带。然而，侧根的形成为CuO NPs进入中柱提供了可能的途径。CuO NPs不仅可以进入细胞间隙，还可以穿透细胞壁进入细胞内。植物体内的CuO NPs在迁移过程中会伴随着一定的形态转化。4）与农作物相比，海州香薷对CuO NPs具有很强的耐性。CuO NPs对植物根的毒性主要来自自身的纳米效应而非离子效应。CuO NPs的胁迫会引起植物生物量和叶绿素含量的下降，同时严重破坏根尖组织，导致根尖分生区细胞空泡化，线粒体肿胀及线粒体嵴退化等；引起植物根细胞死亡率和质膜通透性增大；显著抑制根伸长和根尖细胞活力；促进根内活性氧累积和丙二醛含量升高，根细胞线粒体膜电位降低及程序性细胞死亡。而胡敏酸的添加可以显著抑制CuO NPs的植物细胞毒性。CuO NPs处理还会引起水稻根蛋白的上调或下调，对蛋白质参与的生物学过程和分子功能产生影响。研究成果为科学评估NPs的环境和健康风险提供重要依据，并对纳米科技的可持续发展具有重要科学意义。