氮摻雜碳納米顆粒對油菜種子萌發(fā)的影響

胡偉 向言詞 向建華 周練 陳燕

摘要? ? 為明確氮摻雜碳納米顆粒（N-CNPs）對油菜種子萌發(fā)和生長的影響，采用室內(nèi)種子發(fā)芽試驗，對比分析不同氮摻雜水平碳納米顆粒處理后油菜種子發(fā)芽率、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性的差異。結(jié)果表明，氮摻雜碳納米顆粒（N-CNPs）能有效提升油菜種子的發(fā)芽率，在培養(yǎng)至第5天時，低氮、中氮和高氮摻雜量碳納米顆粒處理后的油菜種子發(fā)芽率分別較不施用氮摻雜碳納米顆粒對照處理提升了10.76%、5.83%和7.31%，差異達到顯著水平。高氮摻雜量碳納米顆粒處理（N-CNPs3）油菜種子胚芽中SOD酶活性在培養(yǎng)至第3天時，達到0.179 U/g FW，增幅達到67.29%;第4天時，CAT酶活性增幅達到了53.04%，均顯著高于不施用氮摻雜碳納米顆粒對照處理。但培養(yǎng)至第7天時，不同氮摻雜量碳納米顆粒處理油菜種子胚芽中SOD酶和CAT酶活性與不施用氮摻雜碳納米顆粒對照處理無顯著差異。由此表明，以0.5‰氮摻雜碳納米顆粒混懸液處理油菜種子不會對其萌發(fā)過程造成不可逆的傷害，不具有明顯的生態(tài)毒性。

關(guān)鍵詞? ? 油菜;氮摻雜碳納米粒子;種子萌發(fā);抗氧化酶;生態(tài)毒性

中圖分類號? ? S565.4? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）21-0017-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

氮摻雜碳納米顆粒能有效降低土壤中的硝態(tài)氮含量，提高氮肥的表觀利用率，對土壤中主要硝化菌群也有明顯的抑制作用[1]，氮摻雜碳納米顆粒還能促進油菜苗期的生長和氮素的積累，改善油菜葉片氮素代謝酶活性[2]，在氮肥增效和油菜增產(chǎn)提質(zhì)方面表現(xiàn)出了較高的研究價值。因此，進一步評估氮摻雜碳納米材料對油菜植株的毒性大小是推動其農(nóng)業(yè)應(yīng)用的必要環(huán)節(jié)。已有研究表明，在植物生長過程中，金屬納米顆粒能抑制大多數(shù)植物的萌發(fā)和根芽生長，在低濃度下即可表現(xiàn)出毒性，毒性大小或與納米顆粒的尺寸和體積相關(guān)[3]。但也有研究結(jié)果顯示，適宜濃度的納米ZnO顆粒能促進綠豆芽的生長[4];在細胞水平上，金屬納米顆粒也表現(xiàn)出了比較明顯的毒性，如納米ZnO顆粒嚴重影響黑麥草根的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，包括根尖收縮、表皮和根冠破壞、皮層細胞高度空泡化[5];對于不同種類金屬納米顆粒能對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生不同水平的生態(tài)毒性效應(yīng)已無異議，其毒性大小受作物種類、納米顆粒類型、暴露時間和劑量等因素影響，但針對碳納米顆粒及其改性材料的植物生態(tài)毒性研究報道則鮮有報道。李小康等[6]研究發(fā)現(xiàn)，碳納米顆粒在動物生態(tài)毒性效應(yīng)方面與納米氧化鋅、納米二氧化硅一樣對MEF細胞增殖產(chǎn)生抑制作用和對細胞膜完整性產(chǎn)生損傷作用，其毒性效果均隨染毒劑量的升高而增強，具有明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系。因此，本文以不同氮摻雜量碳納米粒子為研究對象，通過室內(nèi)種子培養(yǎng)試驗探討氮摻雜碳納米粒子對油菜種子萌發(fā)的影響，明確氮摻雜碳納米粒子對油菜生長發(fā)育的生態(tài)毒性效應(yīng)。以期為氮摻雜碳納米粒子的農(nóng)業(yè)安全應(yīng)用提供參考。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 供試材料

氮摻雜碳納米顆粒（N-CNPs）由湖南科技大學(xué)物理學(xué)院提供，將2 g檸檬酸和尿素按質(zhì)量比5∶1（低氮摻雜量）、1∶1（中氮摻雜量）和1∶2（高氮摻雜量）分別溶解于20 mL去離子水中。置于微波爐中（功率700 W）加熱4 min，獲得棕黑色固體，60 ℃烘干1 h，去除殘留小分子，烘干的固體溶于100 mL去離子水，經(jīng)3 000 r/min離心20 min取上清液烘干后得到不同氮摻雜量碳納米顆粒[7]。供試油菜品種為湘油15號。

1.2? ? 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)4個處理，分別為不施用氮摻雜碳納米顆粒（CK）、低氮摻雜量碳納米顆粒（氮摻雜量1.2%，N-CNPs1）、中氮摻雜量碳納米顆粒（氮摻雜量6.7%，N-CNPs2）、高氮摻雜量碳納米顆粒（氮摻雜量9.3%，N-CNPs3），3次重復(fù)。稱取0.5 g氮摻雜碳納米顆粒與1 L純凈水混合制備成0.5‰氮摻雜碳納米顆?；鞈乙簜溆?。選用1 200粒成熟飽滿的湘油15號油菜種子，隨機分成12組，每個培養(yǎng)皿放置100粒。用0.1%硫酸銅消毒10 min，接著用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡種子消毒30 min。用蒸餾水漂洗種子2次后放入事先消毒的雙層濾紙上（0.7 mL溶液），按處理設(shè)置加入20 mL氮摻雜碳納米顆?；鞈乙?，22 ℃培養(yǎng)7 d，每天噴灑純凈水保持濕潤。分別于第3、4、5、6、7天觀測各處理種子發(fā)芽率，同時從已發(fā)芽的的種子中選取2 g鮮胚芽測定過氧化氫酶活性和超氧化物歧化酶活性。

1.3? ? 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理與作圖，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較（Duncan）對試驗數(shù)據(jù)組間進行差異性比較（P<0.05）。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 種子發(fā)芽率

由表1可知，氮摻雜碳納米顆粒能提高油菜種子的發(fā)芽率，縮短油菜種子出芽周期，且不同氮摻雜水平碳納米顆粒對油菜種子發(fā)芽率的影響存在差異。培養(yǎng)后的第3天時，3種不同氮摻雜水平碳納米顆粒處理后的油菜種子發(fā)芽率較CK分別增加了5.18、0.17、2.95個百分點，其中低摻雜量碳納米顆粒（N-CNPs1）處理發(fā)芽率與CK差異達到顯著水平。各處理間種子發(fā)芽率差異在培養(yǎng)第5天時達到最大值，低、中和高氮摻雜量碳納米顆粒處理后的油菜種子發(fā)芽率分別較CK提升了10.76%、5.83%、7.31%，均顯著高于CK。到培養(yǎng)第7天時，各處理種子發(fā)芽率均超過95%，氮摻雜碳納米顆粒處理后的種子發(fā)芽率雖高于CK，但差異不顯著。提升氮摻雜水平能影響油菜種子發(fā)芽率，在培養(yǎng)的第3、4、5天，低氮摻雜量碳納米顆粒處理（N-CNPs1）油菜種子發(fā)芽率顯著高于中、高量氮摻雜水平碳納米顆粒處理（N-CNPs2和N-CNPs3），而在培養(yǎng)的第6天和第7天，低氮摻雜量碳納米顆粒處理（N-CNPs1）油菜種子發(fā)芽率反而低于其他氮摻雜碳納米顆粒處理。