Cd與羧基化多壁碳納米管復(fù)合脅迫下蠶豆幼苗Cd的富集與分布*

劉 玲, 王蘇杭, 張 進(jìn), 陳 成, 趙薪程, 劉海濤, 汪承潤(rùn)

Cd與羧基化多壁碳納米管復(fù)合脅迫下蠶豆幼苗Cd的富集與分布*

劉 玲, 王蘇杭, 張 進(jìn), 陳 成, 趙薪程, 劉海濤, 汪承潤(rùn)**

(淮南師范學(xué)院生物工程學(xué)院 淮南 232038)

納米材料因大量開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用不可避免地被釋放到環(huán)境中, 給生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此為了探究羧基化多壁碳納米管(MWCNTs-COOH)和重金屬Cd雙重脅迫對(duì)植物器官中Cd的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞中Cd分布的影響, 以及為MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合污染對(duì)植物的毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù), 本研究以蠶豆幼苗為試驗(yàn)材料, 采用水培方式, 設(shè)置MWCNTs-COOH (0 mg·L-1、1.5 mg·L-1、3.0 mg·L-1、6.0 mg·L-1、12.0 mg·L-1)+10.0 μmol·L-1Cd 5個(gè)處理組, 用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定不同處理下蠶豆幼苗根莖葉及細(xì)胞中Cd的含量, 分析MWCNTs-COOH復(fù)合Cd處理下蠶豆幼苗營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)Cd的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞內(nèi)分布狀況。結(jié)果表明: 復(fù)合脅迫下, 3種營(yíng)養(yǎng)器官Cd含量均高于對(duì)照; 根莖葉對(duì)Cd的富集、Cd富集系數(shù)及器官間(根-莖、莖-葉)的轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨MWCNTs-COOH濃度升高呈先升高后降低趨勢(shì), 當(dāng)MWCNTs-COOH濃度為6.0 mg·L-1時(shí), 以上指標(biāo)均達(dá)到最大值。同時(shí), 隨著MWCNTs-COOH濃度的增大, 根莖葉細(xì)胞中Cd逐漸從細(xì)胞壁向原生質(zhì)體轉(zhuǎn)移, 加深了對(duì)細(xì)胞的毒害。綜上所述, 中低濃度的MWCNTs-COOH不僅可促進(jìn)蠶豆根莖葉對(duì)Cd的累積及向上轉(zhuǎn)運(yùn), 而且也能加強(qiáng)細(xì)胞中Cd的轉(zhuǎn)移。

羧基化多壁碳納米管; 鎘; 復(fù)合脅迫; 富集系數(shù); 轉(zhuǎn)移系數(shù); 蠶豆

碳納米管(CNTs)是碳的新型同素異形體, 由石墨烯片層卷曲而成, 按照石墨烯片的層數(shù)可分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。相對(duì)于SWCNTs, MWCNTs易制取且表面更活潑, 可與各種基團(tuán)相結(jié)合, 其中, 羧基化多壁碳納米管(MWCNTs-COOH)憑借自身獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異理化性能被廣泛生產(chǎn)和使用, 自其問世以來便廣受關(guān)注[1]。隨著外界對(duì)MWCNTs-COOH的不斷開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用, 使其不可避免地被釋放到土壤及其他環(huán)境中, MWCNTs-COOH的長(zhǎng)期積累, 給生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)。所以, 作為CNTs表面功能化的典型代表, MWCNTs-COOH的生物效應(yīng)、環(huán)境安全性和潛在毒性成為人們普遍關(guān)注的問題[2]。

與此同時(shí), 隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展, 人類活動(dòng)如污水排放、火力發(fā)電、冶金、造紙等, 使越來越多的重金屬進(jìn)入土壤或水域, 導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo), 使重金屬污染成為影響國(guó)計(jì)民生的問題[3-4]。重金屬污染中鎘(Cd)污染最為普遍和嚴(yán)重, 因其在環(huán)境中具有遷移性差、殘留時(shí)間長(zhǎng)、難以降解的特點(diǎn), 使得水體和土壤中的Cd含量逐年積累, 對(duì)環(huán)境和生物體產(chǎn)生極大的損害[5]。當(dāng)土壤中的MWCNTs- COOH與Cd接觸后, 兩者間的關(guān)系怎樣、對(duì)植物特別是農(nóng)產(chǎn)品會(huì)有怎樣的影響, 這些問題都有待進(jìn)一步研究。

目前研究表明, MWCNTs對(duì)動(dòng)植物[6-8]、人體[9]和微生物[10-11]均會(huì)產(chǎn)生毒害作用。而植物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 對(duì)CNTs具有潛在的吸附累積效應(yīng), 是CNTs進(jìn)入生物循環(huán)的重要途徑。因此, 研究CNTs對(duì)植物的理化毒性對(duì)于評(píng)價(jià)其生態(tài)安全性至關(guān)重要。在CNTs與重金屬復(fù)合污染的環(huán)境介質(zhì)中, 兩者之間不可避免地會(huì)發(fā)生相互作用, 進(jìn)而干擾重金屬對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)。由于MWCNTs-COOH表面具有大量的微孔和微界面, 可以強(qiáng)化各種界面反應(yīng), 具有吸附、催化、輻射、吸收等新特性[12], 當(dāng)其進(jìn)入環(huán)境后往往成為其他污染物的載體, 并對(duì)其毒性產(chǎn)生影響[13]。已有研究證明, CNTs具備吸附重金屬的能力, 促進(jìn)重金屬向植物細(xì)胞內(nèi)部滲透, 進(jìn)而增強(qiáng)重金屬的生物積累[14]。但是國(guó)內(nèi)外有關(guān)MWCNTs-COOH復(fù)合重金屬Cd對(duì)植物生命活動(dòng)及Cd富集變化以及植物生態(tài)安全性評(píng)價(jià)的研究較少, 僅在某種碳納米管[15-16]、金屬脅迫[17]或不良環(huán)境(如干旱、鹽脅迫、酸雨等)與重金屬復(fù)合脅迫[18]等方面進(jìn)行了大量研究, 未能證明環(huán)境中存在的MWCNTs-COOH在重金屬與植物之間所起的作用。所以, 本研究擬采用蠶豆()幼苗為試驗(yàn)對(duì)象, 選取Cd為典型重金屬, 研究蠶豆幼苗在重金屬Cd和MWCNTs-COOH復(fù)合污染下器官細(xì)胞對(duì)Cd的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配情況, 明確MWCNTs-COOH在Cd與蠶豆間所起的作用, 為診斷和評(píng)價(jià)MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蠶豆‘臨蠶5號(hào)’由甘肅省臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所制種, 購于安徽省淮南市圓和種子公司, 為淮南當(dāng)?shù)夭糠洲r(nóng)戶種植品種。

1.2 MWCNTs-COOH

MWCNTs-COOH[純度大于95%, 羧基質(zhì)量分?jǐn)?shù)()為2.56%; 灰分<1.5%; 內(nèi)徑范圍3~5 nm, 外徑范圍8~15 nm, 長(zhǎng)度0.5~50 μm, 比表面積233 m·g-2, 電導(dǎo)率>100 S·m-1]購自中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司。使用前進(jìn)行6次間歇式超聲處理(15 s·min-1)并利用透射電子顯微鏡(TEM) (JEM-100CX, 日本)對(duì)樣品進(jìn)行表征。在TEM下MWCNTs-COOH呈管狀結(jié)構(gòu), 直徑為(8.97±1.25) nm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用籽粒飽滿、大小均勻且無病蟲害的蠶豆種子, 消毒催芽參照盧垟杰等[19]的方法, 并略加改動(dòng): 用0.5%高錳酸鉀溶液浸泡消毒3 h, 清水漂洗4~5次, 室溫浸泡催芽36 h(每隔3~4 h淘洗、換水1次)。待種子露白后進(jìn)行土培, 在蠶豆發(fā)芽出苗后篩選芽勢(shì)、株高、根長(zhǎng)相近的幼苗懸浮培養(yǎng)于1/4-Hoagland培養(yǎng)液中, 預(yù)培養(yǎng)1周后移至MWCNTs-COOH+Cd復(fù)合處理液中。共設(shè)5個(gè)處理: 對(duì)照(CK, 10.0mmol·L-1Cd)、10.0mmol·L-1Cd+1.5 mg·L-1MWCNTs- COOH (Cd+1.5)、10.0mmol·L-1Cd+3.0 mg·L-1MWCNTs- COOH (Cd+3.0)、10.0mmol·L-1Cd+6.0 mg·L-1MWCNTs- COOH (Cd+6.0)、10.0mmol·L-1Cd+12.0 mg·L-1MWCNTs- COOH (Cd+12.0), 培養(yǎng)液皆為Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液, Cd皆為CdCl2·2.5H2O, 處理液pH控制在5.5~5.8, 每個(gè)處理重復(fù)3次, 每個(gè)重復(fù)48株蠶豆幼苗。培養(yǎng)環(huán)境: 15 h光照, 75%相對(duì)濕度, 連續(xù)充氣。幼苗處理2周后進(jìn)行采樣分析測(cè)定, 每個(gè)處理隨機(jī)采集10株鮮樣分離根、莖、葉, 70 ℃烘干后測(cè)其Cd含量, 另取根、莖、葉鮮樣用于測(cè)定各器官亞細(xì)胞中Cd含量及分布。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 Cd含量測(cè)定

樣品的前處理采用硝酸-高氯酸(4∶1,/)濕式消解法[20]。每個(gè)處理取10株蠶豆幼苗, 蒸餾水洗凈后, 把根、莖、葉分離, 置于烘箱(70 ℃, 處理12~24 h, 干燥至恒重)烘干。研磨后分別稱取根、莖、葉粉末0.5 g, 加5 mL HNO3-HClO4(4∶1,/)混合液, 過夜, 150 ℃消煮3 h后, 升溫至180 ℃。溶液消解至澄清且剩余體積0.5 mL左右時(shí)停止加熱, 冷卻后用去離子水轉(zhuǎn)移至10 mL離心管中定容。

利用石墨爐原子吸收光譜法[21-22]測(cè)定Cd含量。原子吸收分光光度計(jì)(novAA 400P)購于德國(guó)Annalytik Jena公司。標(biāo)準(zhǔn)樣為GBW(E)080119, 灰化溫度250 ℃, 原子化溫度1 800 ℃。

1.4.2 Cd在蠶豆植株各器官的細(xì)胞分布

分別稱取根、莖和葉鮮樣0.5 g, 加入10 mL提取液[23]后, 冰浴研磨成勻漿, 提取液組成為Tris-HCl緩沖液(pH 7.5, 50 mmol·L-1)、蔗糖(250 mmol·L-1)、二硫赤蘚糖醇(1.0 mmol·L-1)、抗壞血酸(5.0 mmol·L-1)、1.0%(/)聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)。勻漿液經(jīng)240 μm尼龍網(wǎng)過濾, 殘?jiān)鼮榧?xì)胞壁(F1)部分, 濾液為原生質(zhì)體(F2), 主要包括細(xì)胞質(zhì)、有機(jī)物、無機(jī)離子和液泡內(nèi)的大分子。70 ℃下烘干細(xì)胞壁(F1)和原生質(zhì)體(F2)后, 同法進(jìn)行消解和Cd含量測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

利用富集系數(shù)(bioconcentration factor, BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor, TF)對(duì)蠶豆器官的Cd富集特征進(jìn)行評(píng)估, 其計(jì)算公式分別為: Cd富集系數(shù)(BCF)=器官中Cd含量/處理液中Cd含量; Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)(TFA-B)=器官B中Cd含量/器官A中Cd含量。

采用SPSS 13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA), 計(jì)量采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差表述, 用Duncan法對(duì)各處理間的差異性進(jìn)行多重比較, 各處理間的顯著性差異均設(shè)為<0.05的水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆?fàn)I養(yǎng)器官Cd含量

由表1可知, MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下, 蠶豆幼苗根莖葉Cd含量皆高于CK, 4個(gè)復(fù)合處理的營(yíng)養(yǎng)器官Cd含量的變化呈現(xiàn)相同的趨勢(shì): 當(dāng)MWCNTs-COOH濃度介于1.5~6.0 mg·L-1時(shí), 3種營(yíng)養(yǎng)器官Cd含量皆表現(xiàn)為隨著MWCNTs-COOH濃度的增大而增加; Cd+6.0 mg·L-1MWCNTs-COOH處理下, 蠶豆幼苗根莖葉Cd含量達(dá)最大值, 分別為90.62 μg·g-1、30.33 μg·g-1、14.02 μg·g-1; 而Cd+12.0 mg·L-1MWCNTs-COOH處理的蠶豆幼苗根莖葉Cd含量皆下降。此外, 不同營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)Cd的積累狀況不同, 復(fù)合脅迫下, 不同處理間根莖葉的Cd含量差異顯著, 3種營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)Cd的累積顯示為根>莖>葉。研究結(jié)果表明1.5~12.0 mg·L-1MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合可促進(jìn)蠶豆幼苗根莖葉對(duì)Cd的吸收。

表1 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆幼苗各器官Cd含量

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at< 0.05 level.

2.2 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆幼苗營(yíng)養(yǎng)器官Cd富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表2可知, 與CK相比, MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合處理組蠶豆各器官對(duì)Cd的富集能力呈先升高后降低趨勢(shì), 1.5~12.0 mg·L-1MWCNTs-COOH均顯著誘導(dǎo)蠶豆各器官對(duì)Cd的積累, 當(dāng)MWCNTs- COOH濃度為6.0 mg·L-1時(shí), 根、莖、葉對(duì)Cd的富集系數(shù)最大, 分別是CK的1.20倍、1.73倍、2.42倍; MWCNTs-COOH濃度為12.0 mg·L-1時(shí), 蠶豆各器官對(duì)Cd的富集系數(shù)減小, 但仍顯著高于CK。Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)也呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì), MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合處理顯著促進(jìn)根-莖、莖-葉間Cd的轉(zhuǎn)移。當(dāng)MWCNTs-COOH濃度為6.0 mg·L-1時(shí)蠶豆各器官間Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)最大, 分別為33.47%(根-莖)和46.23%(莖-葉); MWCNTs- COOH濃度為12.0 mg·L-1時(shí), 蠶豆各器官間Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)減小, 但也顯著高于CK。因此, 試驗(yàn)結(jié)果表明, 1.5~12.0 mg·L-1MWCNTs-COOH可加強(qiáng)Cd在蠶豆?fàn)I養(yǎng)器官中的富集, 并促進(jìn)向地上部分轉(zhuǎn)移, 且莖-葉間Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于根-莖。

表2 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆幼苗各器官對(duì)Cd的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at< 0.05 level.

2.3 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆幼苗細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)Cd含量和分配比例

2.3.1 根細(xì)胞壁和原生質(zhì)體Cd含量及分配比例

由表3可知, CK處理的蠶豆根細(xì)胞F1和F2的Cd含量分別為7.51 μg·g-1和4.04 μg·g-1, 分配比例為67.03%和32.98%, 細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)部分的Cd含量及分配比例均表現(xiàn)為F1>F2。與CK相比, 復(fù)合處理中蠶豆根細(xì)胞F1和F2的Cd含量均顯著高于CK, 且呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì), 其中, Cd+6.0 mg·L-1MWCNTs-COOH處理下蠶豆根細(xì)胞F1和F2中Cd含量最高, 顯著高于其他處理組, 且分別為CK的1.24倍和3.03倍。然而, 當(dāng)MWCNTs-COOH濃度達(dá)到6.0 mg·L-1以上時(shí), 細(xì)胞的Cd含量及分配比例變?yōu)镕1

表3 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆根細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)Cd含量及分配比例

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at< 0.05 level.

2.3.2 莖細(xì)胞細(xì)胞壁和原生質(zhì)體Cd含量及分配比例

由表4可知, CK處理中蠶豆莖細(xì)胞壁F1和原生質(zhì)體F2的Cd含量分別為2.23 μg·g-1和2.14 μg·g-1, 分配比例為51.04%和48.97%, 細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)的Cd含量及分配比例均為F1>F2。與CK相比, 復(fù)合處理中蠶豆莖細(xì)胞Cd含量均顯著提高, Cd的含量及分配比例皆表現(xiàn)為F1

表4 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆莖細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)Cd含量及分配比例

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at< 0.05 level.

2.3.3 葉細(xì)胞細(xì)胞壁和原生質(zhì)體Cd含量及分配比例

由表5可知, CK處理蠶豆葉細(xì)胞壁F1和原生質(zhì)體F2的Cd含量分別為0.51 μg·g-1和0.45 μg·g-1, 分配比例為54.45%和46.66%, 細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)部分的Cd含量及分配比例表現(xiàn)為F1>F2。與CK相比, 復(fù)合處理中蠶豆葉細(xì)胞F1和F2中Cd含量的變化趨勢(shì)與根莖相同, 先增高后降低, 均顯著高于CK。F1和F2 Cd含量及分配比例表現(xiàn)為F1

表5 MWCNTs-COOH復(fù)合Cd脅迫下蠶豆葉細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)Cd含量及分配比例

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at< 0.05 level.

3 討論

本研究以蠶豆為研究對(duì)象, 幼苗長(zhǎng)出6片真葉后取樣, 此階段蠶豆幼苗對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)元素的吸收快、需求大。相關(guān)研究顯示, 植物通過根部吸收營(yíng)養(yǎng)的同時(shí), 環(huán)境中的Cd也會(huì)通主動(dòng)運(yùn)輸和協(xié)助擴(kuò)散等方式進(jìn)入細(xì)胞, 并因根壓和蒸騰拉力由木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)降厣喜课籟24-25], 而根部吸收Cd并向地上部遷移的能力是決定植物耐Cd性的重要機(jī)理之一[26-27]。本研究結(jié)果顯示, 隨MWCNTs-COOH濃度的增加, 蠶豆各器官的Cd含量均顯著增加, 具體表現(xiàn)為根>莖>葉, 與周建等[28]研究的Cd脅迫對(duì)刺槐()幼苗Cd離子富集影響和舒啟豪等[18]研究的干旱與Cd雙重脅迫對(duì)土壤-小麥()-蚜蟲系統(tǒng)Cd轉(zhuǎn)移規(guī)律影響的結(jié)果一致。說明MWCNTs-COOH有促進(jìn)蠶豆吸收和運(yùn)輸Cd的功能。由于不同MWCNTs-COOH處理濃度下蠶豆吸收Cd的能力存在顯著差異, 表現(xiàn)為在一定濃度范圍內(nèi)(1.5~6.0 mg·L-1)隨著MWCNTs-COOH濃度的增大, 根莖葉的Cd含量呈增加趨勢(shì), 說明蠶豆根部吸收Cd并向地上轉(zhuǎn)移Cd的能力在一定濃度梯度內(nèi)與MWCNTs-COOH呈正相關(guān)。對(duì)5個(gè)處理下蠶豆各器官Cd的富集和轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)復(fù)合脅迫下蠶豆各器官中Cd含量顯著高于單一Cd脅迫, 且轉(zhuǎn)移系數(shù)也顯著高于單一Cd脅迫, 這可能是由于MWCNTs-COOH表面的拓?fù)湮⒖孜酱罅緾d附著于蠶豆根部并促進(jìn)Cd向植物體內(nèi)部滲透所導(dǎo)致[18]; 中低濃度MWCNTs-COOH可促進(jìn)蠶豆對(duì)Cd的富集與轉(zhuǎn)運(yùn), 高濃度MWCNTs-COOH則抑制這一作用, 這可能是因?yàn)橹械蜐舛萂WCNTs-COOH加速蠶豆細(xì)胞中可溶性蛋白生成和生理代謝, 而高濃度MWCNTs-COOH加劇蠶豆細(xì)胞所受氧化壓力, 使大量氧自由基積累并進(jìn)攻氨基酸殘基, 導(dǎo)致蛋白水解酶被激活, 蛋白質(zhì)功能失活或降解[29]。

組成植物細(xì)胞細(xì)胞壁的成分果膠、纖維素、木質(zhì)素等均對(duì)重金屬有較強(qiáng)的絡(luò)合作用, 是重金屬進(jìn)入細(xì)胞的第一道屏障, 在Cd污染環(huán)境中細(xì)胞初生壁中纖維素、果膠質(zhì)和糖蛋白等結(jié)構(gòu)物質(zhì)可形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將Cd離子阻隔在質(zhì)外體外, 經(jīng)阻隔沉降后的Cd活性降低, 可使原生質(zhì)體免受傷害[30-32]。目前, 在研究植物亞細(xì)胞中Cd的主要分布位置方面仍存有爭(zhēng)議, 有研究表明Cd在亞細(xì)胞中的含量分配表現(xiàn)為細(xì)胞壁>原生質(zhì)體[28,33], 而張路等[24]的研究則表明亞細(xì)胞中Cd的分配表現(xiàn)為原生質(zhì)體>細(xì)胞壁。本研究發(fā)現(xiàn), 單一Cd脅迫下, 蠶豆根、莖、葉中Cd主要分布于細(xì)胞壁, 這一結(jié)論與唐杰等[33]的研究結(jié)果一致。而在MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合污染的情況下, 蠶豆各器官亞細(xì)胞Cd分配隨MWCNTs- COOH濃度的變化而變化。MWCNTs-COOH濃度在0~3.0 mg·L-1范圍內(nèi), 蠶豆根部Cd分配表現(xiàn)為F1>F2, 濃度為6.0 mg·L-1、12.0 mg·L-1時(shí), Cd分配表現(xiàn)為F1

4 結(jié)論

MWCNTs-COOH與Cd復(fù)合脅迫影響了Cd在蠶豆體內(nèi)的富集與轉(zhuǎn)移, 復(fù)合脅迫下蠶豆根莖葉中Cd含量顯著高于單一Cd脅迫, Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)也顯著高于單一Cd脅迫。不同濃度的MWCNTs-COOH對(duì)蠶豆?fàn)I養(yǎng)器官Cd富集、轉(zhuǎn)移及細(xì)胞分布的影響不同, 中低濃度MWCNTs-COOH可促進(jìn)Cd在蠶豆根莖葉的積累與轉(zhuǎn)移, 高濃度MWCNTs-COOH則抑制Cd積累與轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明: 中低濃度MWCNTs-COOH可促進(jìn)植物對(duì)環(huán)境中Cd的吸收, 加強(qiáng)植物地上部分對(duì)Cd的富集; 高濃度MWCNTs-COOH對(duì)植物根部損害較大, 通過損害細(xì)胞功能抑制了植物對(duì)Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)。

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Cd enrichment and distribution in broad bean seedlings under stress of Cd combined with MWCNTs-COOH*

LIU Ling, WANG Suhang, ZHANG Jin, CHEN Cheng, ZHAO Xincheng, LIU Haitao, WANG Chengrun**

(School of Biological Engineering, Huainan Normal University, Huainan 232038, China)

Nanomaterials are inevitably released into the environment because of developed production and application, which brings potential risks to the ecological environment and human health. The aim of this study was to explore the effect of MWCNTs-COOH and heavy metals Cd double stress on Cd enrichment, transport, and distribution in plant organs, and provide a theoretical basis for evaluating phytotoxicity and ecological risk of the combined pollution of MWCNTs-COOH and Cd. In this study, broad bean seedlings were cultured as experimental material using the hydroponics method, and MWCNTs-COOH (0 mg·L-1, 1.5 mg·L-1, 3.0 mg·L-1, 6.0 mg·L-1, 12.0 mg·L-1) and 10.0 μmol·L-1Cd treatment groups were set. The contents of Cd in roots, stems, leaves, and cells of broad bean seedlings under the different treatments were determined by Graphite Furnace atomic absorption spectrometry; and Cd enrichment, transport in vegetative organs, and distribution in cells of broad bean were analyzed. The results showed that Cd contents in three kinds of vegetative organs under MWCNTs-COOH and Cd compound stresses were higher than those in CK. Cd enrichment in roots, stems, and leaves; Cd enrichment coefficient, and translocation coefficient between organs (root-stem and stem-leaf) all first and then decreased. The above indicators reached their maximum values when the concentration of MWCNTs-COOH was 6.0 mg·L-1. At the same time, with the increase of MWCNTs-COOH concentration, Cd in cells of roots, stems, and leaves gradually transferred from cell wall to protoplast, which deepened the toxicity to cells. In conclusion, medium and low concentrations of MWCNTs-COOH not only promoted Cd accumulation and upward transport in roots, stems, and leaves, but also enhanced Cd transfer in cells.

MWCNTs-COOH; Cd; Complex stress; Enrichment coefficient; Translocation coefficient; Broad bean

, E-mail: chengrunwang@163.com

Nov. 19, 2019;

10.13930/j.cnki.cjea.190815

劉玲, 王蘇杭, 張進(jìn), 陳成, 趙薪程, 劉海濤, 汪承潤(rùn). Cd與羧基化多壁碳納米管復(fù)合脅迫下蠶豆幼苗Cd的富集與分布[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(5): 756-763

LIU L, WANG S H, ZHANG J, CHEN C, ZHAO X C, LIU H T, WANG C R. Cd enrichment and distribution in broad bean seedlings under stress of Cd combined with MWCNTs-COOH[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(5): 756-763

X592

* 安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2018A0472)、安徽省重大專項(xiàng)項(xiàng)目(18030701189)和安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃(gxyq2019078)資助

汪承潤(rùn), 主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)毒理學(xué)。E-mail: chengrunwang@163.com

劉玲, 主要研究方向?yàn)橹参锷鷳B(tài)學(xué)及植物逆境生理。E-mail: lliiuu494@sina.com

2019-11-19

2020-02-02

* This study was supported by the Priority Projects of Education Department of Anhui Province (KJ2018A0472), the Major Special Projects of Anhui Province (18030701189) and the Excellent Young Talents Support Program for Colleges and Universities in Anhui Province (gxyq2019078).

Feb. 2, 2020