摘 要

本文研究了氧化铁纳米粒子复合镉离子对小麦生长发育的影响。小麦幼苗经30 mg/L的氧化铁（α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃、Fe₃O₄）纳米粒子和50 mg/L的Cd² 及其两者复合处理，培养几天后检测小麦幼苗的生物量、脂质过氧化和抗氧化系统等相关数据。

结果证明：镉离子对于小麦幼苗来存在一定的毒害作用，其中在生物量（Cd² 单独处理组中，小麦幼苗的根组织中可溶性蛋白质含量降低了17.3 %）、脂质过氧化（Cd² 单独处理中，小麦幼苗叶组织中MDA含量增加了33.6 %）和抗氧化酶系统（Cd² 单独处理中，小麦幼苗叶组织中POD活性增加了50 %、APX活性增加了30.9 %）中均有体现，而高浓度的氧化铁纳米粒子对于小麦幼苗来说也存在一定的毒害作用，α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄单独处理组中，小麦幼苗叶组织中POD含量分别增加了13.3 %、57.2 %和61.8 %，小麦幼苗根组织中CAT的活性分别增加了48.6 %、47.2 %和51.5 %。然而，在氧化铁纳米粒子和镉离子的复合处理组中，上述情况有所改善，α-Fe₂O_3、γ-Fe₂O₃、Fe₃O₄和Cd² 复合处理组，小麦幼苗根组织中POD活性与对照组相比无显著性差异。总体而言，镉离子对小麦幼苗确实存在毒害作用，小麦幼苗暴露在有镉离子存在的环境之中时，会出现体内过氧化物含量异常增高，脂质过氧化紊乱等情况，氧化铁纳米粒子会明显减轻小麦所受到的镉毒害作用，但是高浓度的氧化铁纳米粒子对小麦幼苗也存在一定的毒害作用。

因此，氧化铁纳米粒子对于小麦幼苗所受镉毒害作用确实存在修复作用，可以在一定程度上通过对镉离子的吸附以及某种方式来减轻这种毒害作用。本次研究为氧化铁纳米粒子作为一种新型植物生长调节剂和减轻重金属毒害作用的修复剂在保护环境和农业上的应用提供了一定的参考，也为以后的研究金属氧化物修复镉毒害提供了一定的理论思路和研究方法。

关键词：氧化铁纳米粒子；镉毒害；小麦；生长发育

Abstract

The effects of nano-iron oxide and cadmium ion on the growth and development of wheat were studied in this paper. Wheat seedlings were treated with 30 mg/L iron oxide (α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄), nanoparticles and 50 mg/L Cd² and their combination. The biomass, lipid peroxidation and antioxidant system of wheat seedlings were measured after several days of culture.

The results showed that cadmium particles had certain toxic effects on wheat seedlings. Among them, in biomass (in Cd² treatment alone, soluble protein content in root tissue of wheat seedlings decreased by 17.3%)、lipid peroxidation (in Cd² treatment alone, MDA content in leaf tissue of wheat seedlings increased by 33.6%) and antioxidant enzyme system (in Cd² treatment alone, wheat seedling leaf group ，the activities of POD and APX increased by 50% and 30.9% respectively, and the high concentration of nano-iron oxide particles also had toxic effects on wheat seedlings). In the treatments of α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃ and Fe₃O₄ alone, the contents of POD in wheat seedling leaves increased by 13.3%, 57.2% and 61.8% respectively, and the activities of CAT in wheat seedling root tissues increased by 48.6%, 47.2% and 51.5% . However, in the composite treatment of nano-iron oxide particles and cadmium ions, the above situation was improved. Compared with the control group, the activities of POD in root tissue of wheat seedlings treated with α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄ and Cd2 had significant changes. Generally speaking, cadmium ions do have toxic effects on wheat seedlings. When wheat seedlings are exposed to cadmium ions, there will be abnormal increase of peroxide content and disorder of lipid peroxidation in vivo. Nano-iron oxide particles can significantly reduce cadmium toxicity on wheat seedlings, but high concentration of nano-iron oxide particles also have certain effects on wheat seedlings. Toxic effects.

Therefore, the effect of iron oxide nanoparticles on the toxicity of cadmium to wheat seedlings does exist, which can be reduced to some extent by adsorption of cadmium ions and in some ways. This study provides a reference for the application of iron oxide nanoparticles as a new plant growth regulator and a reparation agent for reducing heavy metal toxicity in the protection of environment and agriculture. It also provides some theoretical ideas and research methods for future research on metal oxide remediation of cadmium toxicity.

Key words: iron oxide nanoparticles; cadmium toxicity; wheat; growth and development

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2重金属毒害的研究 2

1.2.1 重金属毒害的研究现状 2

1.2.2 重金属Cd² 的毒害作用 2

1.3纳米金属氧化物的研究现状 3

1.4研究目的与内容 3

1.4.1 课题的提出 3

1.4.2 研究目的 4

1.4.3研究内容 4

第2章 实验材料与方法 5

2.1 实验材料 5

2.2 小麦幼苗摄取Cd² 的测定 5

2.3 小麦幼苗生物量的测定 5

2.4 小麦幼苗生理生化参数的测定 6

2.4.1 小麦幼苗叶中叶绿素含量和根系活力的测定 6

2.4.2 小麦幼苗生理参数的测定 6

2.4.3 统计分析 7

第3章 结果与分析 8

3.1 小麦幼苗生物量的变化 8

3.2 小麦幼苗体内可溶性蛋白质的含量变化 8

3.3 小麦幼苗的脂质过氧化 9

3.4 小麦幼苗色素含量变化 10

3.5 小麦幼苗体内抗氧化酶活性的变化 11

3.5.1 小麦幼苗体内过氧化物酶（POD）活性变化 11

3.5.2 小麦幼苗体内过氧化氢酶（CAT）活性变化 11

3.5.3 小麦幼苗体内抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性变化 12

第4章 讨论 14

第5章 结论 16

参考文献 17

致谢 22

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

绿色植物作为生态系统中主要的生产者，大部分的异养型生物都需要绿色植物固定的太阳能进行存活^[1]。植物在生态系统中有着不可或缺的作用，仅仅对于我们人类来说，植物的地位就是非常重要的，我们平时的食用品中有这很大的一部分都是植物类食品及其衍生物。此外，植物在自然界中还扮演着非常重要的角色，植物可以调节环境空气的碳氧平衡，是大自然的净化器，植物可以很好的吸收空气中的有毒气体，例如二氧化硫，氯气等等，从而保护人类的生命安全。尤其是进入二十一世纪以来，全世界都在关注环境问题，植物的重要性也逐渐暴露在人类的视野之中，此外，一些环境中的影响因素对于植物生长的影响也越来越广受关注。

镉（Cd）是一种重金属元素，广泛存在于生产和生活环境中，并且是一种积累性极强的环境重金属污染物^[2]。它在土壤、空气、水和生物系统中微量存在，地壳中镉（Cd）的平均含量为0.15~0.20 mg/kg，空气中平均含量为0.002~0.05 ug/m^3[3]。镉（Cd）在植物中存在高积累、毒性和非必需性的特性，所以镉（Cd）一直被认为是小麦的主要产量限制因子之一^[4]，另外镉（Cd）还会导致活性氧（ROS）的过量产生，导致小麦氧化应激，从而对小麦的防御系统产生负面影响。由于镉（Cd）对植物存在如此明显的毒害作用，如何减轻植物所受的镉毒害成为了目前广受关注的一个课题。

纳米金属氧化物是近年来广受关注的新型半导体材料，因为纳米颗粒存在粒径小、比表面积大等特点，所以纳米金属氧化物较于其他材料表现出在光、声、电、磁、热力学等方面截然不同的小尺寸效应和量子尺寸效应。但是近期据报道显示，纳米金属氧化物不仅仅在这些方面有着如此巨大的潜力，其在农业方面同样拥有巨大的未被开发出来的潜力。有研究者发现利用纳米二氧化锰复合镉（Cd）对植物进行处理，发现纳米二氧化锰对于镉（Cd）具有极好的吸附作用，能够很好的减轻水稻所受的镉（Cd）毒害作用，但是纳米二氧化锰同样会引起水稻的严重的氧化应激反应。纳米二氧化锰的应用给了我们一个寻找它的替代物的思路，除了纳米二氧化锰，还有很多其他的纳米材料对于镉（Cd）具有吸附作用。其中有研究表明氧化铁纳米粒子可以作为吸附剂来减少印度芥菜中砷的植物毒性^[5]。

因此，我们决定通过在水培条件下培养小麦幼苗，加以用氧化铁纳米粒子和镉离子的单独处理以及二者的符合处理小麦幼苗，来探究镉离子对于小麦幼苗的毒害作用、氧化铁纳米粒子对于小麦幼苗的毒害作用以及氧化铁纳米粒子是否可以减轻镉离子对于小麦幼苗的毒害作用。我们通过检测小麦幼苗的各项生理指标，包括生物量、色素含量、脂质过氧化以及抗氧化系统酶活性等指标来具体描述小麦幼苗所受的毒害作用。二者复合处理的方式为以后研究纳米金属材料与重金属的相互作用提供了新的思路，将之在实验室研究基础之上扩大到农田种植的范围中，为以后研究重金属污染提供了新的理论路线，希望可以为以后的重金属研究提供一定的理论基础。

1.2 重金属毒害的研究

1.2.1 重金属毒害的研究现状

有研究表明，近些年以来因为大量生产和无意中使用重金属纳米材料，整个环境受到了非常严重的影响。虽然它们中的许多是有用的，但是其中一些对植物，藻类和微生物依然存在毒性，因此，它们可能对环境构成潜在风险。纳米材料经常用于，化妆品，药物输送，光子晶体，分析，食品，涂料，油漆，生物修复，催化和材料科学等领域^[6-7]。 Keller和Lazareva ^[8]报道称每年生产的二氧化钛（TiO₂）纳米粒子约3000吨，其中50％以上用于个人护理产品^[9]。有研究称，氧化铜（CuO）纳米颗粒会对大肠杆菌造成膜损伤^[10]。一项关于斑马鱼（Danio rerio）的研究表明，随着斑马鱼暴露在有TiO₂纳米颗粒存在的环境中天数的增加，活胚胎数量减少^[11]。一些纳米材料对动植物有毒，因此纳米材料常被用来抑制植物的生长以防止进一步增殖^{[12 13]}。植物中纳米材料的生物吸收和积累可能会增加枝条长度，减少根的长度和数量^{[14 15]}。纳米材料的毒性取决于纳米材料的浓度，粒径和形状^[16]。一些研究表明，纳米颗粒处理可以提高植物的自由基清除潜力和抗氧化酶活性，并改变微小RNA的表达，从而调节植物中不同的形态，生理和代谢过程^[17]。已有研究显表明游离金属离子的毒性大于纳米颗粒的毒性，例如，银纳米粒子对植物的毒性低于银离子^[18]，这主要是由于AgNO₃的溶解度更大和Ag离子在水性介质中的更大的迁移率。脂质过氧化是一个重要的参数，它呈现了细胞膜的完整性^[19-21]，已知活性氧（ROS）产生后会通过脂质过氧化损伤细胞膜，导致离子泄漏和细胞代谢的破坏，导致细胞死亡。ROS还会对光合机构和生物分子造成氧化损伤^{[22 23]}。因此，植物保护细胞和亚细胞系统免受活性氧自由基与抗氧化酶的细胞毒性作用（超氧化物歧化酶SOD；过氧化氢酶CAT；过氧化物酶POD和抗坏血酸过氧化物酶等）和低分子量抗氧化剂（抗坏血酸，谷胱甘肽，脯氨酸，类胡萝卜素，α-生育酚和酚类等）和非酶组分（类胡萝卜素，抗坏血酸和生育酚等）^[24-26]，这些组分使暴露于金属氧化物纳米颗粒期间所受的氧化损伤降低^{[27 28]}，水稻暴露于CeO₂纳米颗粒^[29]未显示脂质过氧化和任何生理变化，尽管观察到过氧化氢酶，抗坏血酸的活性和热休克蛋白的上调，然而，用CeO₂纳米颗粒（0-500 mg/L）处理的水稻中脂质过氧化没有升高，但在较高剂量下观察到离子渗漏^[30]。

1.2.2 重金属Cd² 的毒害作用

土壤中的镉（Cd）污染可能损害植物细胞，抑制光合作用，导致叶片变形，生长抑制，甚至植物死亡^[31]。镉显示会降低绿豆^[32]和豌豆^[33]中的叶绿素合成。有报道称，Cd可能通过改变关键酶的活性和破坏叶绿体和线粒体来改变代谢途径^[34]。镉可能诱导脂质和蛋白质的氧化损伤，最终导致细胞膜过氧化甚至离子流失^[35]。包括镉在内的重金属也可能在植物中积累，从而通过食物链进入人体并威胁人类健康。因此，必须采取预防措施，以减少食物链中重金属污染的潜在健康风险。烟草是中国重要的经济作物，2014年产量约为3×106吨，可在叶片中积累大量的Cd。烟草似乎相对耐受Cd，吉原等人^[36]报道，在烟草植物的远端根部积累了很少的Cd，并且大部分Cd从根部转移到枝条，烟草叶积累了植物吸收的总Cd的约50％。

1.3 纳米金属氧化物的研究现状

纳米技术是物质加工、操作、材料应用的新技术，是20世纪微米技术不断发展的必然结果。纳米材料由于其尺寸很小，结构特殊，因此具有许多新的物理化学特性，如小尺寸效应、大的比表面、极高的反应活性、量子效应等^[37]。这些特性使纳米科学已经成为当今世界上三大支柱科学(生命科学、信息科学、纳米科学)之一。随着纳米技术的产业化进程，许多纳米材料已经大规模生产并应用于涂料、化妆品、催化剂、新型材料、医学等领域的近千种消费产品中，用来提高原有的功能或获得崭新的新功能。人们在不知不觉中暴露在有纳米物质存在的环境之中，或在生产和使用过程中直接进入人体，或通过环境、食物链进入人体。然而，人们对这些极微小物质本身的生物效应和毒理学效应的认识还十分有限，甚至是完全未知，而由于纳米尺度物质的特殊性质和穿透效应，其对生态环境和生命体的作用方式、作用途径、作用机制具有独特性，传统的环境风险评估技术以及化学品(材料)健康危险度评估技术很难应用。

有研究者用四种金属氧化物纳米粒子研究了对拟南芥的毒理作用。结果表明纳米ZnO对生长影响最大，纳米Fe₃O₄ 影响较小，而纳米SiO₂和纳米Al₂O₃对其生长基本没有影响。也有一些研究表明纳米颗粒对植物也有一些积极地作用。刘秀梅等通过温室砂培试验研究了纳米CaCO₃和纳米Fe₂O₃的施用效果，实验结果表明纳米碳酸钙能在一定程度上促进花生的生长，并且提高了花生体内的可溶性糖和蛋白质的含量，实验还发现纳米碳酸钙促进了植株根系对钙和氮、磷、钾的吸收。纳米Fe₂O₃能够显著地促进花生的生长发育，提高叶绿素含量并增强光合能力；增强铁在植株体内的移动性，增加叶部的含铁比重；促进花生对氮、磷、钾养分的吸收和利用。多篇文章报道纳米TiO₂对菠菜的生长具有促进作用。在种子培育时加入纳米粒子或通过叶片给药，纳米TiO₂能增加酶活，并提高氮吸收。