多种成像技术原位研究多种金属与碳量子点在植物中的吸收和迁移行为

The environmental fates and health risks of quantum dots and nano-particles have been drawn more and more attentions with their widely usage. However, the understanding on the important roles of plants in the geochemical circles of quantum dots and nano-particles are very limited till now. Some scientific results are even inverse. This project will map the uptake, translocation and transformation of nano-particles, especially quantum dots, in plants by imaging technologies through in vivo and in vitro hydroponic exposure. It will elucidate the behaviors of different quantum dots in different plant species, the tissue or organelle with high accumulation abilities, the translocation pathways, the biotransformation process and elimination mechanism of quantum dots within plants.

随着纳米材料和量子点的广泛应用，其环境行为与健康风险越来越得到人们的重视，然而对于植物在量子点等纳米材料的环境归趋中所起的重要作用，人们的认知还十分有限，一些研究结论甚至存在较大争议。本研究拟通过纳米材料，特别是不同的量子点材料对不同植物进行活体和离体水培暴露，利用多种成像技术，研究量子点和纳米材料被植物吸收、在植物体内迁移以及发生分子转化等行为。着重比较不同量子点在植物体内行为的异同；揭示具有高富集能力和分子转化能力的植物组织和细胞器；研究量子点在植物体内迁移的路径；探索植物生物转化以及消除外来污染物的过程和机理。

本研究选取四种包被材料不同、带电性质也不同的硒化镉量子点，采用水稻和南瓜两种陆生植物以及普通小球藻一种水生植物进行了活体植株和离体（水稻细胞）的暴露研究，通过ICP-MS进行的定量检测和荧光显微镜、电镜等成像研究的结果，发现量子点能被南瓜和水稻吸收进入体内，并从根部向上迁移，而不同植物对同一种量子点的迁移方式和路径存在不同。量子点在南瓜幼苗根中主要通过木质部及周围的薄壁细胞向上运输；而在水稻幼苗中，部分量子点能进入中柱、通过木质部向上运输，部分量子点则可以在根表皮向上运输。植株不同组织中硒镉含量比例的显著差异表明硒化镉量子点在植物内发生了离子化转化，而迁移过程中量子点是以量子点和离子两种形态同时进行的。表面带有正电荷的硒化镉量子点CdSe(ZnS-CA QDs)能被小球藻吸附/吸收，从而使小球藻的新陈代谢受到干扰，细胞膜破碎，线粒体产能下降，氧化应激加剧，叶绿素含量下降。该材料在极低水平（1 nmol•L-1）即可对小球藻生长繁殖造成巨大影响。黑磷纳米片能使水稻种子发芽的时间提前，促进种子发芽后芽和根的重量和长度增加，但会抑制幼苗生长过程中叶和根的生长。此外发现不同植物根系分泌物对黑磷纳米片的聚集行为有不同程度的减缓作用，且其中起作用的主要是> 3 KDa的大分子部分；减缓聚集的作用机理是根系分泌物中的蛋白质吸附在黑磷纳米片表面形成蛋白冠，通过位阻作用阻碍盐离子对黑磷纳米片的静电屏蔽和沉淀桥接作用，从而减缓黑磷纳米片的聚集。