納米氧化鋅對濕地植物種子萌發(fā)的影響

曹 沖 黃 娟 王 寧 閆春妮 彭 程

(東南大學土木工程學院, 南京 210096)

納米氧化鋅對濕地植物種子萌發(fā)的影響

曹 沖 黃 娟 王 寧 閆春妮 彭 程

(東南大學土木工程學院, 南京 210096)

為了分析納米氧化鋅(ZnO NPs)對濕地植物的影響,探究了不同濃度ZnO NPs對黑麥草、水蔥、花葉蘆竹種子萌發(fā)的影響．實驗結(jié)果表明,當ZnO NPs濃度為 0.1,1.0 mg/L時,黑麥草、水蔥、花葉蘆竹的發(fā)芽率與對照組無顯著差異;當ZnO NPs濃度達到10.0, 100.0 mg/L時,水蔥的種子發(fā)芽率顯著低于對照組．當ZnO NPs濃度為100.0 mg/L時,黑麥草、水蔥、花葉蘆竹種子發(fā)芽率相對于對照組分別減少了6.38%,44.71%,1.41%．在不同ZnO NPs濃度下,花葉蘆竹種子萌發(fā)均與對照組無差異,但ZnO NPs對花葉蘆竹種子萌發(fā)后幼苗根莖長度產(chǎn)生一定的影響,ZnO NPs濃度為0.1 mg/L時會促進花葉蘆竹幼苗根莖的生長,而濃度為100.0 mg/L時會抑制花葉蘆竹根莖的生長．可見,不同種類的濕地植物對ZnO NPs的響應(yīng)不同．

納米氧化鋅(ZnO NPs);濕地植物;種子發(fā)芽;幼苗生長

納米氧化鋅(zinc oxide nanoparticles, ZnO NPs)作為一種典型的納米材料,廣泛應(yīng)用于陶瓷、化工、生物、光學、電子等許多領(lǐng)域[1-2],但也因此通過各種途徑進入到自然環(huán)境中,對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響．然而,由于分離和分析方法的局限性,迄今為止國內(nèi)外對于納米顆粒在環(huán)境中的背景濃度、污染狀況的資料仍十分匱乏．Gottschalk等[3]運用概率建模方法模擬采樣區(qū)域內(nèi)水環(huán)境中的ZnO NPs濃度,發(fā)現(xiàn)在歐洲和美國ZnO NPs濃度分別高達0.432和0.3 mg/L,已達到對水體生物造成損害的閥值．Maurer-Jones等[4]使用風險評估的方法預測了環(huán)境中納米顆粒濃度,預測結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZnO NPs在地表水中的濃度為1～10 000 ng/L,而污水廠剩余污泥為13.6～64.7 mg/kg．

植物作為生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分,納米顆粒對植物的生態(tài)效應(yīng)尚未明確[5]．有些金屬氧化物納米顆粒能促進菠菜的光合作用和氮代謝,從而促進菠菜的生長[6],而大部分的納米顆粒都會對植物生長造成不同程度的抑制[7]．由于鋅是植物必需的營養(yǎng)元素之一,因此ZnO NPs不同于一般的金屬和金屬氧化物納米顆粒,它對植物的影響作用也更加復雜．納米顆粒通常會對植物的萌發(fā)和生長2個階段產(chǎn)生影響．種子萌發(fā)是植物生命周期的一個關(guān)鍵時期,也是對外界環(huán)境因子最敏感的時期之一[8]．測試種子萌發(fā)和生長狀況是對植物毒性測試的一種試驗方法．Mahajan 等[9]對綠豆的研究表明,ZnO NPs濃度較高時,對其生長產(chǎn)生抑制,而濃度較低時則對其生長有促進作用．而有研究者對擬南芥[10]、洋蔥[11]、黑麥草[12]的研究發(fā)現(xiàn),ZnO NPs會抑制種子萌發(fā)以及根的伸長．

目前,關(guān)于ZnO NPs對多種濕地植物種子發(fā)芽率的研究相對較少．因此,本文選擇3種常見的濕地植物黑麥草(LoliumperenneLinn.)、水蔥(ScirpusvalidusVahl)、花葉蘆竹(Arundodonaxvar. versicolor)種子為研究對象,研究不同濃度的ZnO NPs對這3種濕地植物種子的萌發(fā)影響,初步探討ZnO NPs對濕地植物的毒性效應(yīng)．

1 材料與方法

1.1 納米材料與植物種子

試驗使用的ZnO NPs溶液購自南京天行新材料有限公司,pH值為6～8,分散后的粒徑為80～200 nm．ZnO NPs溶液采用納米分散工藝,將ZnO NPs粉體在水體中充分穩(wěn)定分散．利用透射電子顯微鏡對ZnO NPs溶液進行觀測,如圖1所示,絕大部分ZnO NP粒徑小于等于200 nm,呈桿狀或小顆粒狀,部分形成了團聚體．

試驗使用的黑麥草購自江蘇宿遷青伊湖種業(yè)合作社,水蔥和花葉蘆竹的種子購于江蘇宿遷新時代花卉公司,各種類種子均為同一批次．本試驗中濕地植物種子的子葉或者幼根伸出種皮則記為萌發(fā)．

圖1 ZnO NPs溶液的TEM照片

1.2 種子培養(yǎng)與ZnO NPs處理

分別將3種濕地植物黑麥草、水蔥、花葉蘆竹種子用30%的雙氧水消毒8 min,用超純水浸泡并各沖洗5次．將種子分別在0.1,1.0,10.0,100.0 mg/L ZnO NPs 溶液及超純水中各浸泡2 h．浸泡后,選取大小形狀一致的100粒種子均勻分布在直徑100 mm、高15 mm、墊有濾紙的培養(yǎng)皿中．以購買的ZnO NPs溶液為原液,用超純水配制試驗濃度為0.1,1.0,10.0,100.0 mg/L ZnO NPs處理液,每個培養(yǎng)皿中加入4 mL處理液,每種處理方法重復3次．將培養(yǎng)皿用透氣不透水的薄膜(PM 996, Parafilm M?, US)包裹,放入溫室培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d,白天溫度25～30 ℃培養(yǎng)16 h,夜晚15～20 ℃培養(yǎng)8 h[13]．

1.3 發(fā)芽率、根長和苗高的測定

在ZnO NPs溶液處理后的第7 d測定發(fā)芽率,發(fā)芽率按以下公式計算:

式中,P為種子發(fā)芽率;a為7 d已發(fā)芽種子數(shù);t為供試種子數(shù). 第10 d從培養(yǎng)皿隨機挑取幼苗，測量其根長、苗高,并取平均值[14]．

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用SPSS 22.0分析軟件,采用ANOVA進行顯著性差異分析;使用Origin 8.0軟件進行繪制圖形．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同ZnO NPs濃度對植物種子萌發(fā)的影響

試驗考察了不同ZnO NPs濃度對3種濕地植物種子萌發(fā)的影響,結(jié)果如圖2所示．

(a) 黑麥草

(b) 水蔥

(c) 花葉蘆竹

由圖2(a)可知,在低濃度(0.1, 1.0 mg/L)ZnO NPs處理下,黑麥草種子發(fā)芽率隨著ZnO NPs濃度升高呈小幅度升高.低濃度ZnO NPs溶解產(chǎn)生Zn2+,促進了黑麥草的生長．隨著ZnO NPs濃度進一步升高,黑麥草發(fā)芽率出現(xiàn)明顯下降,100.0 mg/L試驗組與對照組相比，其發(fā)芽率減少了6.38%．從圖2(b)可看出,在ZnO NPs濃度為0.1, 1.0 mg/L的試驗組中,水蔥發(fā)芽率與對照組無明顯差異性;在濃度為10.0, 100.0 mg/L試驗組中,水蔥種子發(fā)芽率隨著ZnO NPs濃度的升高呈降低的趨勢；當ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L時,水蔥、花葉蘆竹種子的發(fā)芽率與對照組相比,減少了44.71%和1.41%．可見,高濃度ZnO NPs抑制了黑麥草、水蔥種子的萌發(fā)．而由圖2(c)可見,在不同ZnO NPs濃度處理下,花葉蘆竹種子發(fā)芽率呈不規(guī)則變化．

對3種濕地植物種子在不同ZnO NPs濃度處理的發(fā)芽率進行差異性分析,結(jié)果如表1所示．

表1 3種植物種子發(fā)芽率受ZnO NPs影響的差異性 %

植物種類ZnONPs濃度/(mg·L-1)對照組0.11.010.0100.0黑麥草91.3396.0096.0092.0085.50*水蔥56.6759.0059.3344.67*31.33*花葉蘆竹94.6797.0095.0097.3393.33注:*表示概率p<0.05.

由表1可見,低濃度(0.1,1.0,10.0 mg/L)ZnO NPs處理下,黑麥草種子發(fā)芽率與對照組之間無明顯差異(p>0.05)；當ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L時,黑麥草種子發(fā)芽率與對照組相比產(chǎn)生顯著性差異(p<0.05)，說明高濃度ZnO NPs對黑麥草種子萌發(fā)產(chǎn)生了抑制作用．同樣,ZnO NPs濃度為0.1,1.0 mg/L 試驗組的水蔥種子發(fā)芽率與對照組相比無顯著性差異(p>0.05),但濃度為10.0,100.0 mg/L時試驗組與對照組存在顯著性差異(p<0.05),說明ZnO NPs濃度達到10.0 mg/L 時，ZnO NPs開始對水蔥種子的萌發(fā)產(chǎn)生明顯的抑制作用．但對于花葉蘆竹而言,各處理濃度的ZnO NPs試驗組種子發(fā)芽率與對照組均無顯著差異(p>0.05)．可見,不同濃度的ZnO NPs對不同濕地植物種子的影響存在差異性．

2.2 ZnO NPs對不同植物種子發(fā)芽率的影響

為了進一步考察ZnO NPs對植物種子發(fā)芽率的影響,將不同ZnO NPs濃度處理下植物發(fā)芽率的相對值(不同濃度下種子發(fā)芽率與對照組的比值)做差異性分析,進而將ZnO NPs對不同植物種子萌發(fā)的影響作用進行對比分析,結(jié)果如表2所示．

表2 ZnO NPs處理下3種植物種子發(fā)芽率相對值差異性

由表2可知,ZnO NPs濃度為0.1,1.0 mg/L時,黑麥草與水蔥、黑麥草與花葉蘆竹、水蔥與花葉蘆竹各組植物之間的種子發(fā)芽率相對值無顯著性差異(p>0.05),說明ZnO NPs濃度較低時未對黑麥草、水蔥、花葉蘆竹種子發(fā)芽率造成顯著性影響,這與前文的研究分析基本一致．但當ZnO NPs濃度達到10.0,100.0 mg/L時,黑麥草與水蔥、水蔥與花葉蘆竹種子發(fā)芽率差異顯著(p<0.05),較高濃度的ZnO NPs對植物造成不同程度的毒害效應(yīng)．不同植物對納米顆粒的吸收能力不同,導致不同植物對ZnO NPs響應(yīng)存在一定差異．

2.3 ZnO NPs對種子萌發(fā)后根莖長度的影響

種子萌發(fā)后根莖葉失去了種皮保護,納米顆?？芍苯幼饔糜谟赘?、幼莖,進而對其生長產(chǎn)生影響．試驗進一步考察不同ZnO NPs濃度對花葉蘆竹種子萌發(fā)后根莖長度的影響,結(jié)果如圖3和表3所示．

圖3 ZnO NPs處理下花葉蘆竹根莖長度

表3 花葉蘆竹種子萌發(fā)后根莖長度分布 %

從圖3可直觀地看出,不同濃度ZnO NPs處理下花葉蘆竹莖葉伸長的差異性．由表3可見,ZnO NPs濃度為0.1 mg/L時,根莖長度在6～8 cm區(qū)間分布比例大于對照組；當ZnO NPs濃度為1.0,10.0 mg/L 時,根莖長度分布與對照組一致,根莖長度小于2 cm的比例均為0;當ZnO NPs 濃度為0.1,1.0,10.0 mg/L時,試驗組的根莖長度在2～4 cm 區(qū)間的分布比例低于對照組,而在4～8 cm區(qū)間的分布比例大于對照組,表明該濃度ZnO NPs有助于花葉蘆竹種子根莖生長,當種子萌發(fā)后,根莖葉伸出種皮,更容易吸收部分氧化鋅溶解產(chǎn)生的Zn2+．當ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L時,莖葉長度在6～8 cm區(qū)間無分布,在4～6 cm區(qū)間也只有極少的分布,主要分布在小于2和2～4 cm區(qū)間．花葉蘆竹種子發(fā)芽后根莖葉沒有了種皮的保護,直接與ZnO NPs接觸,高濃度ZnO NPs可以直接接觸幼根莖葉,使其生長受到抑制[15-16],這與Lin等[12]的研究結(jié)果一致．可見,低濃度ZnO NPs產(chǎn)生的Zn2+有助于莖葉的生長,而高濃度ZnO NPs對花葉蘆竹種子萌發(fā)后的莖葉生長產(chǎn)生明顯抑制．

對不同濃度ZnO NPs處理下各試驗組花葉蘆竹根莖長度進行差異性分析,結(jié)果如表4所示．

表4 不同ZnO NPs濃度下花葉蘆竹根莖長度差異性

由表4可知,當ZnO NPs濃度為0.1 mg/L時,花葉蘆竹種子萌發(fā)后根莖長度與對照組相比呈顯著差異(p<0.05),這是由于低濃度ZnO NPs對花葉蘆竹根莖生長起到促進作用,與ZnO NPs濃度為0.1 mg/L處理組花葉蘆竹根莖長度在6～8 cm 分布比例大于對照組一致;當ZnO NPs濃度為1.0,10.0 mg/L時,根莖長度與對照組相比差異性不明顯;但當ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L時,試驗組與對照組相比差異顯著(p<0.05),結(jié)合表3可知,高濃度(100.0 mg/L)ZnO NPs對花葉蘆竹的根莖生長產(chǎn)生了抑制作用．

ZnO NPs濃度為0.1,1.0,10.0 mg/L的試驗組之間差異不顯著．但ZnO NPs濃度為100.0 mg/L試驗組與濃度為0.1,1.0,10.0 mg/L各試驗組之間均呈顯著性差異(p<0.05),ZnO NPs濃度為100.0 mg/L的處理達到對花葉蘆竹根莖生長的毒性閾值,產(chǎn)生了顯著的抑制作用．

3 結(jié)論

1) 當ZnO NPs濃度為0.1,1.0 mg/L,黑麥草、水蔥種子發(fā)芽率與對照組相比無顯著差異．但高濃度ZnO NPs處理下,黑麥草(ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L)和水蔥(ZnO NPs濃度達到10.0 mg/L)的種子發(fā)芽率相比對照組顯著降低．

2) 當ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L時,黑麥草、水蔥、花葉蘆竹種子發(fā)芽率分別減少了6.38%,44.71%,1.41%;但在不同濃度ZnO NPs處理下,花葉蘆竹種子發(fā)芽率與對照組均無顯著差異,表明由于不同植物種子生理特性的不同,對不同濃度ZnO NPs處理的響應(yīng)存在差異．

3) 不同濃度ZnO NPs處理下,花葉蘆竹種子萌發(fā)后根莖生長受到一定程度的影響．當ZnO NPs為低濃度(0.1 mg/L)時促進了花葉蘆竹種子萌發(fā)后根莖生長;但當ZnO NPs濃度達到100.0 mg/L時,會抑制花葉蘆竹根莖生長．

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Impact of zinc oxide nanoparticles on seed germination of wetland plant

Cao Chong Huang Juan Wang Ning Yan Chunni Peng Cheng

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the impact of ZnO nanoparticles (ZnO NPs) on wetland plants, the effects of different concentration ZnO NPs on seed germination ofLoliumperenneLinn.,ScirpusvalidusVahl, andArundodonaxvar. versicolor were investigated in the this study. The obtained results show that under the concentrations of ZnO NPs at 0.1, 1.0 mg/L, the germination rate of three kinds of wetland plant (LoliumperenneLinn.,ScirpusvalidusVahl,Arundodonaxvar. versicolor) has no significant difference compared with the control group. The seed germination rate ofScirpusvalidusVahl is significantly lower than the control group when the concentrations of ZnO NPs reach to 10.0 and 100.0 mg/L. Compared with the control group, the seed germination rates ofLoliumperenneLinn.,ScirpusvalidusVahl,Arundodonaxvar. versicolor decreases by 6.38%, 44.71% and 1.41%, respectively. But forArundodonaxvar. versicolor, there is no difference with control group in the seed germination under the different concentrations of ZnO NPs. However, the length of rootstock suffers to a certain impact after the seed germination ofArundodonaxvar. versicolor under the treatment of ZnO NP stress. The concentration of ZnO NPs at 0.1 mg/L can promote the growth of rootstocks while the concentration at 100.0 mg/L inhibits the elongation of rootstocks ofArundodonaxvar. versicolor. Therefore, wetland plants with different species have different behaviors in response to the treatment of ZnO NPs.

zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs); wetland plants; seed germination; seedling growth

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.035

2016-09-06. 作者簡介:曹沖(1991—),男,博士生;黃娟(聯(lián)系人),女,博士,副教授,博士生導師,seu070303@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51479034,5151101102)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目.

曹沖,黃娟,王寧，等.納米氧化鋅對濕地植物種子萌發(fā)的影響[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(2):416-420.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.035.

X503.23

A

1001-0505(2017)02-0416-05