金红石型纳米TiO2对镉胁迫下水稻光合特性及镉、钛富集的影响.pdf
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1、Journal of Organic Chemistry Research 有机化学研究有机化学研究,2023,11(2),75-86 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jocr https:/doi.org/10.12677/jocr.2023.112008 文章引用文章引用:苏敏敏,张宇乐,钟卓妍,祖罡,祝昕煜,刘惠芬.金红石型纳米 TiO2对镉胁迫下水稻光合特性及镉、钛富集的影响J.有机化学研究,2023,11(2):75-86.DOI:10.12677/jocr.2023.112008 金
2、红石型纳米金红石型纳米TiO2对镉胁迫下水稻光合特性及对镉胁迫下水稻光合特性及镉、钛富集的影响镉、钛富集的影响 苏敏敏苏敏敏1,张宇乐,张宇乐1,钟卓妍,钟卓妍1,祖,祖 罡罡1,祝昕煜,祝昕煜1,刘惠芬,刘惠芬2*1贵州大学农学院,贵州 贵阳 2天津农学院农学与资源环境学院,天津 收稿日期:2023年3月27日;录用日期:2023年6月18日;发布日期:2023年6月28日 摘摘 要要 本文采用种植箱试验,研究金红石型纳米二氧化钛本文采用种植箱试验,研究金红石型纳米二氧化钛(TiO2-NPs)对镉胁对镉胁迫下水稻光合特性及镉、钛富集的迫下水稻光合特性及镉、钛富集的影响。试验结果表明,金红石型
3、影响。试验结果表明,金红石型TiO2-NPs单一处理下对水稻叶绿素含量影响较小,随着金红石型单一处理下对水稻叶绿素含量影响较小,随着金红石型TiO2-NPs浓度升高,对水稻叶绿素影响增大;单一浓度升高,对水稻叶绿素影响增大;单一Cd处理,导致水稻叶绿素含量增加;高浓度、小粒径的处理,导致水稻叶绿素含量增加;高浓度、小粒径的Cd与金与金红石型红石型TiO2-NPs共同作用毒性增强,对水稻叶绿素含量影响较大。金红石型共同作用毒性增强,对水稻叶绿素含量影响较大。金红石型TiO2-NPs单一处理、单一单一处理、单一Cd处理和二者结合可使水稻蒸腾速率和气孔导度逐渐增加,而净光合速率和胞间处理和二者结合可
4、使水稻蒸腾速率和气孔导度逐渐增加,而净光合速率和胞间CO2浓度则明显下降;蒸浓度则明显下降;蒸腾速率、胞间腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度与对照组没有显著差异,但净光合速率在金红石型浓度、气孔导度与对照组没有显著差异,但净光合速率在金红石型TiO2-NPs与与Cd的作的作用下出现不同程度的变化。水稻中镉主要在根部富集,用下出现不同程度的变化。水稻中镉主要在根部富集,Cd与金红石型与金红石型TiO2-NPs联合作用会降低联合作用会降低Cd的迁移的迁移率。水稻中根部钛含量远大于叶部,率。水稻中根部钛含量远大于叶部,Cd与金红石型与金红石型TiO2-NPs联合处理可以增加联合处理可以增加Ti的迁移率
5、。这些试验结的迁移率。这些试验结果可为探寻金红石型果可为探寻金红石型TiO2-NPs与与Cd对水稻的单一与联合效应提供一定帮助和参考。对水稻的单一与联合效应提供一定帮助和参考。关键词关键词 金红石型金红石型TiO2-NPs,Cd胁迫胁迫,水稻水稻,光合特性光合特性,富集特征富集特征 Effects of Rutile Type Nano-TiO2 on Photosynthetic Characteristics and Cd and Ti Enrichment in Rice under Cd Stress Minmin Su1,Yule Zhang1,Zhuoyan Zhong1,Gang
6、 Zu1,Xinyu Zhu1,Huifen Liu2*1College of Agriculture,Guizhou University,Guiyang Guizhou 2College of Agronomy,Resources and Environment,Tianjin Agricultural University,Tianjin Received:Mar.27th,2023;accepted:Jun.18th,2023;published:Jun.28th,2023 *通讯作者。苏敏敏 等 DOI:10.12677/jocr.2023.112008 76 有机化学研究 Abst
7、ract The planting box test was used to study the effect of rutile nano-titanium dioxide(TiO2-NPs)on the photosynthetic properties and its enrichment in rice under Cd stress.The experimental results showed that the single treatment of rutile TiO2-NPs had little influence on rice chlorophyll content w
8、ith the concentration of rutile TiO2-NPs.Single Cd treatment resulted in an increase in chloro-phyll content and the toxicity of high concentration and small size Cd and rutile TiO2-NPs had great influence on chlorophyll content in rice.Under rutile TiO2-NPs single treatment,single Cd treatment and
9、both,rice transpiration rate and stomatal conductivity gradually increased,but net photosynthetic rate and intercellular CO2 concentration significantly decreased.The transpiration rate,intercellular CO2 concentration and stomatal conductivity were not significantly different from the control,but th
10、e net photosynthetic rate changed differently under the combined stress of rutile TiO2-NPs and Cd.The content of Cd and Ti in roots of rice were much greater than those in the leaves.The rutile TiO2-NPs could reduce the mobility of Cd,but increase the mobility of Ti.These experimental results can pr
11、ovide some help and reference for exploring the single and joint effect of TiO2-NPs and Cd on rice.Keywords Rutile Type TiO2-NPs,Cd Stress,Rice,Photosynthetic Characteristics,Enrichment Characteristics Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Common
12、s Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.前言前言 土壤是现代农业生产的基础和基地,然而随着时代的快速发展,农田中的重金属含量急剧上升。全国土壤污染状况调查公报于 2014 年公布,其中重金属镉(Cd)污染点位超标率高达 7.0%,居调查污染物之首,污染程度高达 0.5%1。2013 年湖南“镉大米”事件,在国内造成了极坏的影响,甚至在一定程度上引发了居民恐慌2。水稻生长在受 Cd 污染的土壤中,若吸附 Cd 元素过量会导致毒害症状,影响根系生长和吸收水分
13、、营养物质,最终导致粮食减产3 4。因此,Cd 污染水稻等粮食作物是不可轻视的食品安全问题。纳米材料是粒径 1 nm100 nm 的纳米结构材料。TiO2-NPs 具有优异的光催化活性、稳定性高、无毒等特点。这些优点使其被广泛运用在污水处理、涂料等领域5 6。但 TiO2-NPs 是一把双刃剑,它们在发挥其优点的同时,也可能对周围环境和人类健康产生负面影响。TiO2-NPs 在大气、水体和土壤环境中易迁移和传递,可能会破坏或损伤生态系统中的个体、群体甚至整个生态系统7。薛永来等发现,纳米二氧化钛可以促进水稻幼苗根系产生活性氧(ROS),并通过干扰抗氧化体系过度生成 ROS,造成氧化损害,从而影
14、响水稻的生长发育8。王一翔通过对三角褐指藻 TiO2-NPs 的毒性实验,发现 TiO2-NPs 能明显地抑制其生长9。前人的研究大多是关注纳米材料、重金属对生物体的单一毒性效应。近年来,TiO2-NPs 与 Cd 联合作用的研究逐渐被大家所关注。TiO2-NPs 可以减少 Cd 对水稻、小麦和玉米的毒害,增加叶绿素含量、促进生长与光合作用以及提高植物生物量10 11 12。也有研究表明,TiO2-NPs 与镉、铜、铅等重金属Open AccessOpen Access苏敏敏 等 DOI:10.12677/jocr.2023.112008 77 有机化学研究 共同作用增强了毒性。目前对纳米材料
15、与重金属的研究,主要集中在两者共同作用产生的环境效应,很少有研究深入到不同粒径、不同浓度方面。本研究通过分析不同粒径、不同浓度的 TiO2-NPs 对 Cd 胁迫下农作物(水稻)光合特性及镉、钛富集的影响,探寻 TiO2-NPs 与 Cd 的单一及联合效应。2.材料和方法材料和方法 2.1.试验材料试验材料 试验用土采自天津市宁河区某稻田土壤(020 cm),土壤 pH 8.28,阳离子交换量 65.6 cmolkg1,有机质含量 20.14 gkg1,Cd 含量 0.08 mgkg1。土样自然风干后去除杂物,过筛备用。供试水稻品种为“津原 89”(由天津市宁河良种场提供),不同粒径金红石型纳
16、米二氧化钛均购自上海阿拉丁公司。2.2.试验方法试验方法 将自然风干土壤用密封的摇匀机将尿素(75 g)、磷酸二氢钾(55 g)与 50 kg 过筛后的稻田土壤混合均匀,装于 1.2 m 0.5 m 的塑料种植箱。不同粒径、浓度金红石型纳米二氧化钛的试验设置见表 1,外加一个空白组以及单一 Cd 胁迫(30 mg/kg)处理,共计 20 个处理组。Table 1.Test settings of rutile nano-titanium dioxide with different particle size and concentration 表表 1.不同粒径、浓度金红石型纳米二氧化钛试验
17、设置 浓度 粒径 20 ppm 50 ppm 100 ppm 25 nm RT20S25 RT50S40 RT100S20 40 nm RT20S40 RT50S40 RT100S40 100 nm RT20S100 RT50S100 RT100S100 25 nm+Cd RT20S25C RT50S40C RT100S20C 40 nm+Cd RT20S40C RT50S40C RT100S40C 100 nm+Cd RT20S100C RT50S100C RT100S100C 采用逐级放大法将金红石型纳米二氧化钛引入土壤中,混合均匀 1 小时后,Cd 胁迫组慢慢滴入 CdCl2溶液,继续机
18、械搅拌使其混合均匀后浓度为 30 mg/kg。空白对照组按相同的方法加入等量水进行搅拌。处理完的土壤转移至种植箱内平衡 1 个月后进行水稻幼苗移栽。选择大小、生长一致的三叶一心幼苗移栽,每箱种植 40 株,每隔 2 d 浇一次水,保持水面没过土壤 3 cm 左右。在处理 40 d 时,测定其叶绿素含量和光合特性;并采集水稻样品,分别对水稻样品不同器官(根、叶)进行烘干、研磨,保存于密封塑料袋中备用。2.3.指标测定指标测定 本研究利用 SPAD 502 叶绿素仪测叶绿素含量(SPAD 值),利用 LI-6800 光合仪测定水稻净光合速率、蒸腾速率、胞间 CO2浓度和气孔导度。采用微波消解法对水
19、稻样品进行前处理,利用岛津 ICPMS-2030 测定水稻根和叶的镉、钛含量。精确称取水稻样品 0.5 g(精确至 0.001 g)于微波消解仪中,加入 6.0 mL 浓硝酸,浸泡 4 小时,再加 2.0 mL浓盐酸,在微波消解仪中消解 15 分钟,消解结束后在通风厨中打开盖子,并放入赶酸仪中进行赶酸至无烟气冒出,取出冷却,用蒸馏水定容至 50 mL,过滤,备用。按同样消解方法做空白试验。用镉标准溶苏敏敏 等 DOI:10.12677/jocr.2023.112008 78 有机化学研究 液、钛标准溶液配制标准系列。根据岛津 ICPMS-2030 的操作程序,测定空白溶液、样品溶液、镉标准曲线
20、和钛标准曲线。2.4.数据处理数据处理 运用 WPSExcel 整理数据,使用 SPSS 26.0 对相关数据进行单因素方差分析,用 Duncan 检验进行平均数间差异显著性比较(显著水平 0.05)。镉迁移率(%)=水稻叶中镉含量/水稻根中镉含量 100%钛迁移率(%)=水稻叶中钛含量/水稻根中钛含量 100%3.结果分析结果分析与讨论与讨论 3.1.不同粒径、不同浓度金红石型纳米二氧化钛对镉胁迫下水稻叶绿素的影响不同粒径、不同浓度金红石型纳米二氧化钛对镉胁迫下水稻叶绿素的影响 3.1.1.不同粒径金红石型纳米二氧化钛对镉胁迫下水稻叶绿素的影响不同粒径金红石型纳米二氧化钛对镉胁迫下水稻叶绿素
21、的影响 不同粒径的金红石型TiO2-NPs对水稻叶绿素含量的影响见图1。如图1(A)所示,当金红石型TiO2-NPs浓度 20 ppm 时,金红石型 TiO2-NPs 单一处理条件下,粒径 25 nm、粒径 40 nm 与 CK 组没有显著性差异。但粒径 100 nm 与 CK 组有显著性差异。单一 Cd 处理组与 CK 组也没有显著性差异。Cd 与金红石型TiO2-NPs 联合作用,均与 CK 组有显著性差异,且 SPAD 值显著降低,对叶绿素含量影响较大。如图 1(B)所示,当金红石型 TiO2-NPs 浓度 50 ppm 时,呈现出 Cd 与金红石型 TiO2-NPs 联合作用时,与 C
22、K 组有显著性差异。两者联合毒性增强,对水稻叶绿素含量影响较大。如图 1(C)所示,当金红石型TiO2-NPs 浓度 100 ppm 时,粒径 25 nm、粒径 40 nm 金红石型 TiO2-NPs 单一处理组,依然与 CK 组没有显著性差异,但粒径 100 nm 处理组与 CK 有显著性差异,其 SPAD 值显著降低。Cd 胁迫下粒径 25 nm、粒径 40 nm、粒径 100 nm 处理组与 CK 组均存在显著性差异,且叶绿素含量显著降低。不同粒径金红石型纳米二氧化钛对水稻叶绿素的影响呈现:不同粒径金红石型 TiO2-NPs 单一处理、Cd 单一处理对水稻叶绿素影响较小;Cd 与金红石型
23、 TiO2-NPs 联合作用对水稻叶绿素影响较大。浓度 20 ppm 时,随着粒径的增加,Cd 与金红石型 TiO2-NPs 联合毒性增强。浓度 100 ppm 时,随着粒径的增加,Cd 与金红石型 TiO2-NPs 联合毒性降低。苏敏敏 等 DOI:10.12677/jocr.2023.112008 79 有机化学研究 注:CK:空白组,Cd:Cd 单一处理组,S25、S40、S100:粒径分别为 25 nm、40 nm、100 nm 的金红石型 TiO2-NPs 单一处理组,S25C、S40C、S100C:粒径分别为 25 nm、40 nm、100 nm 的金红石型 TiO2-NPs 与
24、Cd 联合处理组。Figure 1.Effect of rutile type nano-titanium dioxide with different particle sizes on chlorophyll content of rice(A:20 ppm,B:50 ppm,C:100 ppm)图图 1.不同粒径的金红石型纳米二氧化钛对水稻叶绿素含量的影响(A:20 ppm,B:50 ppm,C:100 ppm)3.1.2.不同浓度金红石型纳米二氧化钛对镉胁迫下水稻叶绿素的影响不同浓度金红石型纳米二氧化钛对镉胁迫下水稻叶绿素的影响 不同浓度的金红石型 TiO2-NPs 对水稻叶绿素含量的
25、影响见图 2。如图 2(A)、图 2(B)所示,当金红石型 TiO2-NPs 粒径 25 nm、40 nm 时,浓度 20 ppm、50 ppm、100 ppm 的金红石型 TiO2-NPs 单一处理处理组与 CK 组均没有显著性差异;但三个浓度金红石型 TiO2-NPs 与 Cd 联合处理组与 CK 组均有显著性差苏敏敏 等 DOI:10.12677/jocr.2023.112008 80 有机化学研究 异,SPAD 值也显著降低,加强对水稻叶绿素的毒害作用。如图 2(C)所示,当金红石型 TiO2-NPs 粒径 100 nm 时,仅浓度 50 ppm 的金红石型 TiO2-NPs 单一处理
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