納米金屬顆粒在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化及生物效應(yīng)研究進(jìn)展

疏 茂，湯岑鵬，趙峰娃，趙 青1,2,*

1.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

2.華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 廣州 510650

3.中國海螺創(chuàng)業(yè)控股有限公司，安徽 蕪湖 241070

4.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016

人工納米材料被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活多個領(lǐng)域，如化妝品、防曬霜、紡織品、太陽能電池材料、催化劑以及納米診療[1]等，其在整個生命周期中將不可避免地進(jìn)入環(huán)境.自然界存在的金屬離子可以在光、熱作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米顆粒.Ag+和Au+在太陽光照及/或DOM 存在環(huán)境中可轉(zhuǎn)化生成納米顆粒[2].同時，納米材料常被用于污染土壤的修復(fù)[3-6]，如負(fù)載納米零價鐵的碳材料能有效去除重金屬Cr(Ⅵ)[5]，改性納米零價鐵可提高稻田As 污染土壤的修復(fù)效能[6].這些人工及天然納米顆?？赡芤l(fā)的生態(tài)環(huán)境問題是近年來研究關(guān)注的熱點(diǎn).

由于尺寸小，納米顆?？梢酝黄蒲X屏障，進(jìn)入血液、淋巴循環(huán)，富集于肝臟、心臟、腎臟及中樞神經(jīng)系統(tǒng)，誘發(fā)炎癥、細(xì)胞凋亡與組織壞死等毒性效應(yīng).它們不僅能引起DNA 損傷等遺傳毒性[7]，還會產(chǎn)生活性氧物種(ROS)造成脂質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷[8].不同于宏觀材料，納米顆粒(<100 nm)具有一些獨(dú)特的理化性質(zhì)，如界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等[9].因此，納米顆粒誘發(fā)產(chǎn)生的ROS隨比表面積增加呈指數(shù)增長，將引發(fā)更嚴(yán)重的生物損傷.

納米金屬顆粒不僅能釋放同種金屬離子產(chǎn)生毒性，顆粒本身也可能具有更高的毒性效應(yīng).例如：穩(wěn)定性較高的納米二氧化鈦對小麥的毒性主要來源于材料自身的毒性效應(yīng)[10]；穩(wěn)定性較弱的納米氧化鋅則可溶出鋅離子對小麥[10]或水藻[11]產(chǎn)生毒性；α-Fe2O3中解離的Fe3+會影響藻類生長.但也有研究[8]發(fā)現(xiàn)，納米鋅對黑麥草的生物毒性主要由顆粒自身造成.納米金屬顆粒進(jìn)入植物體內(nèi)會產(chǎn)生ROS，引起植物細(xì)胞的損傷和死亡，也可能影響營養(yǎng)元素運(yùn)輸和吸收，從而影響植物生長[12].對于納米銀、納米氧化鋅、納米氧化鈰、納米氧化鈦等金屬納米顆粒，無論能否釋放金屬離子，其自身的毒性都不容忽視.目前，納米金屬顆粒的毒性效應(yīng)機(jī)制尚存爭議，一些關(guān)鍵問題有待于深入研究.我國對于納米金屬顆粒生物學(xué)效應(yīng)的研究仍處于起步階段，揭示納米金屬顆粒的環(huán)境行為及生物學(xué)效應(yīng)是發(fā)展納米產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的課題.

土壤是納米金屬顆粒在環(huán)境中重要的源和匯，在其生物地球化學(xué)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用.土壤中的納米金屬顆?？上聺B進(jìn)入地下水，也可能被動植物吸收后經(jīng)食物鏈傳遞富集.納米金屬顆粒在食物鏈上的傳遞存在生物放大效應(yīng)，放大系數(shù)達(dá)5.32[9].植物是生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，作為食物鏈起始營養(yǎng)級，植物對納米金屬顆粒的吸收和轉(zhuǎn)化，不僅影響植物自身安全，而且可能影響食物鏈中各級消費(fèi)者.因此，研究納米金屬顆粒在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化、在植物中的運(yùn)輸過程和機(jī)制、在植物中的生物轉(zhuǎn)化及其對植物的生物學(xué)效應(yīng)對于納米金屬顆粒的生態(tài)風(fēng)險評價具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.

1 納米金屬顆粒在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化

關(guān)于納米材料遷移的研究主要集中在土壤和地下水，如飽和條件下均質(zhì)砂土中的遷移等[13].然而，納米材料在進(jìn)入地下水之前必先通過一個非飽和區(qū)域(即包氣帶)，在非飽和多孔介質(zhì)中的保持和移動決定了其對地下水的污染程度[14].針對非飽和流的研究，多采用物理和化學(xué)性質(zhì)較均勻的砂土在穩(wěn)態(tài)流條件下進(jìn)行[14].現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果和模擬模型在一定程度上有助于了解納米材料環(huán)境行為，但是尚缺乏對真實(shí)環(huán)境條件及多種因素同時作用的模擬.

土壤具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和化學(xué)異質(zhì)性(如質(zhì)地分層、黏粒團(tuán)聚、金屬氧化物及DOM 在不同土壤組分中不均勻分布等)，水分在土壤中的運(yùn)動也以非穩(wěn)態(tài)(瞬態(tài))的滲透、排水和蒸發(fā)過程為主.土壤的異質(zhì)性能夠影響納米膠體和土壤的相互作用.例如，土壤干濕交替過程中水的瞬態(tài)脈沖(水通量和速度同時變化)類似于“水力激活器”，能夠改變孔隙水的幾何布局及孔隙中液-氣界面的能量梯度和狀態(tài)，并使原來保持在液-固和液-氣界面處的納米膠體獲得動量，克服阻礙其運(yùn)動的“能壘”，從而再移動和進(jìn)一步擴(kuò)散[15].因此，在非穩(wěn)態(tài)不飽和流情況下，納米材料傳輸?shù)某潭瓤赡軙h(yuǎn)超過當(dāng)前穩(wěn)態(tài)流模型所預(yù)測的水平.此外，由于納米材料的大小和表面性能存在顯著差異，其對土壤異質(zhì)性、孔隙水分飽和度和水流穩(wěn)定性的響應(yīng)可能會有很大不同.但這方面的研究尚鮮見報(bào)道.因此，納米材料在自然環(huán)境中非穩(wěn)態(tài)不均勻流模式(如降雨)和空間異質(zhì)吸附情況下的遷移是有待研究的重要科學(xué)問題，對其進(jìn)行系統(tǒng)闡釋，有望對膠體不飽和非均勻遷移理論、試驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)模型和機(jī)制分析等諸多方面研究進(jìn)行有益補(bǔ)充.

受各種環(huán)境因子制約，納米金屬顆粒在環(huán)境中的賦存形態(tài)復(fù)雜(見圖1).為滿足具體應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)(表面官能團(tuán)化、尺寸、晶型結(jié)構(gòu))千差萬別的納米金屬顆粒，在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中被排放進(jìn)入環(huán)境.這些納米金屬顆粒又會隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化，這些形態(tài)轉(zhuǎn)化過程主要包括但不局限于以下幾個方面.

圖1 納米金屬顆粒的形態(tài)轉(zhuǎn)化Fig.1 Morphological transformation of metal nanoparticles

a) 吸附/解吸.納米金屬顆?？梢耘c環(huán)境中的可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM，如腐殖酸等)發(fā)生吸附，形成有機(jī)結(jié)合態(tài)的納米金屬/金屬氧化物.影響DOM 在納米金屬顆粒上吸附的主要因素包括吸附劑性質(zhì)(比表面積、表面電荷、晶型、表面官能團(tuán)及團(tuán)聚情況)、DOM 結(jié)構(gòu)和性質(zhì)(親疏水性、表面電荷、分子量、羥基和羧基含量和空間結(jié)構(gòu))以及環(huán)境條件(pH、離子強(qiáng)度、離子價態(tài)、溫度)[16].納米金屬顆粒與DOM 的吸附機(jī)理主要包括靜電作用、配位作用、疏水作用、熵變、氫鍵作用及陽離子的架橋作用[17].在這些作用中，配位作用即納米金屬顆粒表面與DOM 的羥基羧基官能團(tuán)進(jìn)行配位交換被認(rèn)為是最主要的作用.

b) 分散/沉降.游離或有機(jī)結(jié)合態(tài)的納米金屬/納米金屬氧化物顆?？梢耘c其自身或者環(huán)境中的礦物發(fā)生團(tuán)聚，形成不同水和離子半徑的團(tuán)聚體，這些團(tuán)聚體既有可能由于空間位阻、靜電斥力作用懸浮在溶液中，也可能發(fā)生沉降，主要取決于團(tuán)聚體顆粒之間引力和斥力的相對大小.多價陽離子可顯著降低團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，如納米銀的臨界絮凝濃度(CCC)根據(jù)單價和多價陽離子的不同可以產(chǎn)生2 個數(shù)量級的變化[18-19].DOM 也可以顯著影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，在低濃度陽離子存在條件下，DOM 的加入可以顯著增強(qiáng)納米銀、納米二氧化鈦的團(tuán)聚體穩(wěn)定性[20].

c) 解離.納米金屬顆粒在環(huán)境中可以逐漸解離釋放出金屬離子.該過程受離子強(qiáng)度、pH、腐殖酸等環(huán)境條件的影響.例如，在水環(huán)境中，pH 的變化會導(dǎo)致離子強(qiáng)度發(fā)生改變，使得氧化鋅納米顆粒聚集尺寸發(fā)生改變，進(jìn)而影響其解離過程[21].在等電點(diǎn)時，氧化鋅納米顆粒多呈現(xiàn)聚集狀態(tài)，但pH 降低將促進(jìn)Zn+解離[22].

d) 氧化/還原.在環(huán)境中氧化還原條件影響下，納米金屬顆粒自身與溶液中游離的金屬離子之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)變.DOM 也會對納米金屬顆粒產(chǎn)生影響，例如，將聚集的納米銀轉(zhuǎn)變?yōu)殂y離子，或是在光的作用下產(chǎn)生自由基，從而影響納米金屬顆粒的各種性質(zhì).需要指出的是，溶液中一些游離的重金屬離子(銀離子、三價金離子等)可以在光照或者加熱條件下被DOM 還原成納米金屬顆粒[23].

綜上，納米金屬顆粒在環(huán)境中的形態(tài)轉(zhuǎn)化是一個復(fù)雜的動態(tài)平衡過程.體系中某一環(huán)境條件的改變，或者納米金屬顆粒某一賦存形態(tài)的變化都會導(dǎo)致該平衡被打破，使得體系中納米金屬顆粒各賦存形態(tài)的含量發(fā)生改變.以往研究大多關(guān)注某一形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，而忽視了體系整體的平衡變化.因此，納米金屬顆粒在土壤中各形態(tài)轉(zhuǎn)變過程的耦合效應(yīng)是有待研究的重要科學(xué)問題.納米金屬顆粒各形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中各參數(shù)之間的聯(lián)系、環(huán)境條件(pH、離子強(qiáng)度、DOM)的改變對其形態(tài)轉(zhuǎn)變的影響等問題是研究納米金屬顆粒在土壤-植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化和毒性效應(yīng)的前提和基礎(chǔ).

2 納米金屬顆粒在植物中的運(yùn)輸過程及機(jī)制

植物是納米金屬顆粒進(jìn)入食物鏈的開端.研究[24]發(fā)現(xiàn)，在植物的根、芽等部位都觀察到了納米金屬顆粒的存在，表明它們能夠被植物吸收并在植物體內(nèi)運(yùn)輸.生物富集系數(shù)(BAF)，即物質(zhì)在生物體組織中的濃度與其環(huán)境濃度的比值，常被用來衡量植物吸收運(yùn)輸納米金屬材料的能力.比較植物對納米金屬顆粒的BAF 值發(fā)現(xiàn)，不同植物對同一納米金屬顆粒，同種(品種、生態(tài)型)植物對不同納米金屬顆粒，甚至同一植物對同種納米金屬顆粒(尺寸或表面性質(zhì)不同)的BAF 值均差異顯著[25].例如，納米銀(Ag NPs)、納米氧化鈰顆粒(CeO2NPs)和納米氧化鋅顆粒(ZnO NPs)在大豆根部的BAF 分別為0.008 25、0.210 00 和1.173 52，而ZnO NPs 在小麥、玉米、青豆根部的BAF 則為3.432 3、0.450 0 和1.380 0[25].造成這種差異的原因可能是環(huán)境中納米金屬顆粒各賦存形態(tài)在植物體內(nèi)運(yùn)輸機(jī)制不同.納米金屬顆粒在復(fù)雜環(huán)境條件下發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化，形成具有不同理化性質(zhì)的多種賦存形態(tài).由于納米材料的理化性質(zhì)決定其與蛋白質(zhì)的相互作用，因此，與植物體內(nèi)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合較強(qiáng)的納米金屬顆粒更容易在植物體內(nèi)運(yùn)輸，從而可能具有較高的生物富集能力.

在土壤中，納米金屬顆粒首先吸附在植物根部，此過程會受到植物根系周圍環(huán)境條件與納米金屬顆粒自身性質(zhì)的影響.首先，不同植物或植物在不同生長階段的根際分泌物會對納米金屬顆粒在植物根部的吸附起到促進(jìn)或抑制作用[26].而吸收納米金屬顆粒(如納米銅)又能引起植物(黃瓜)根系分泌物代謝的顯著變化[27].其次，納米金屬氧化物顆粒大小會對吸附過程造成影響，但具體機(jī)制尚不清晰.吸附在根部的納米金屬顆粒會向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，這一過程有兩種途徑(見圖2)：一是質(zhì)外體途徑，納米金屬顆粒穿過一系列屏障，即角質(zhì)層、表皮、皮質(zhì)、內(nèi)皮層、凱氏帶到達(dá)木質(zhì)部向上運(yùn)輸；二是共質(zhì)體途徑，納米金屬顆粒通過胞間連絲進(jìn)入細(xì)胞[28].研究[29]發(fā)現(xiàn)，氧化鈰納米顆粒主要通過質(zhì)外體運(yùn)輸途徑進(jìn)入玉米.類似地，納米氧化鑭顆粒也通過質(zhì)外體運(yùn)輸進(jìn)入黃瓜(Cucumis sativusL.)體內(nèi)[30].納米氧化鐵和納米氧化鋅在大豆和玉米中的運(yùn)輸是經(jīng)木質(zhì)部實(shí)現(xiàn)的[31].而金納米顆粒在毛白楊(Populus tomentosa)中的運(yùn)輸則由木質(zhì)部和韌皮部共同完成，且在根細(xì)胞間的韌皮部胞間連絲內(nèi)積累(見圖2)[32].納米金屬顆粒的尺寸和表面電荷也會影響植物對其的吸收.例如，表面電荷不同的AuNPs 在水稻根部的吸收順序?yàn)锳uNP1(+)>AuNP2(0)>AuNP3(?)[33].小尺寸ZnO NPs 能夠穿過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，而正電荷能夠增強(qiáng)ZnO NPs 在植物細(xì)胞壁上的吸附[34].這些已有報(bào)道大多基于電鏡觀察的結(jié)果，且主要集中于納米顆粒和納米顆粒團(tuán)聚體.對于納米金屬顆粒的有機(jī)結(jié)合態(tài)或與金屬離子共存情況下，它們各自在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑和機(jī)制并未開展系統(tǒng)研究.

圖2 金屬納米顆粒在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑及其在韌皮部胞間連絲內(nèi)的積累[32]Fig.2 Transport routes of metal nanoparticles in plant and accumulation of gold nanoparticles in the plasmodesma of the phloem complex in root cells[32]

一般認(rèn)為，植物對金屬離子的長距離運(yùn)輸(土壤?根?莖?葉)是通過木質(zhì)部完成的，如氧化銅納米顆粒在南瓜中會通過木質(zhì)部運(yùn)輸[35].但有研究發(fā)現(xiàn)，對于一些低濃度重金屬離子在水培植物中的運(yùn)輸，無法用單一的木質(zhì)部運(yùn)輸理論進(jìn)行合理解釋，可能存在韌皮部運(yùn)輸現(xiàn)象[36].某些重金屬元素(如Cd)在植物葉片中的累積過程表現(xiàn)出明顯的韌皮部運(yùn)輸特征.Zhang 等[37]發(fā)現(xiàn)，CeO2NPs 以Ce(Ⅱ)和Ce(Ⅲ)的混合物形式通過木質(zhì)部從根向地上部運(yùn)輸，隨后以CeO2的形式通過韌皮部從地上部返回根.因此，納米金屬顆粒在植物體內(nèi)的運(yùn)輸是由木質(zhì)部與韌皮部共同構(gòu)成的維管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，木質(zhì)部中流動方向從下到上，韌皮部中流動方向從上到下，整個流動過程是非循環(huán)的，納米金屬顆粒在木質(zhì)部與韌皮部之間的運(yùn)輸途徑與機(jī)制尚有待深入研究.

3 納米金屬顆粒在植物中的生物轉(zhuǎn)化

納米金屬顆粒在植物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化是其形態(tài)轉(zhuǎn)化的另一重要方式.首先，納米金屬顆粒在根際可能發(fā)生形態(tài)變化，然后被吸收至植物體內(nèi).有研究表明，植物根際分泌物的成分決定了氧化鈰納米顆粒的形態(tài)轉(zhuǎn)化以及被植物吸收后的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，但根系分泌物成分和氧化鈰納米顆粒發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化后的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制需要進(jìn)一步研究.其次，納米金屬顆粒的轉(zhuǎn)化可能發(fā)生在植物體內(nèi).納米金屬顆?？梢耘c植物體內(nèi)的蛋白發(fā)生絡(luò)合，生成有機(jī)結(jié)合態(tài)的納米金屬/納米金屬氧化物(如巰基化合物)[38]；植物體內(nèi)的有機(jī)酸可以促進(jìn)納米金屬顆粒的解離；植物體內(nèi)的還原性物質(zhì)(光合作用中一些還原性酸、鐵氧還原蛋白、葡萄糖和果糖等)可以還原納米金屬顆粒解離出的金屬離子[39].Hernandez-Viezcas 等[40]發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅顆粒在沙漠植物天鵝絨豆中全部轉(zhuǎn)化為二價鋅離子；Wang 等[39]通過分根試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米氧化銅顆粒從玉米葉或莖中通過韌皮部運(yùn)輸重新回到根上，在此過程中二價銅被還原為一價的氧化亞銅和硫化亞銅.研究[37]發(fā)現(xiàn)，納米氧化鈰顆粒(CeO2NPs)在黃瓜根系表皮和細(xì)胞間隙中被還原為三價鈰，并與磷酸根形成針狀的磷酸鈰沉淀.另外，有研究表明，植物會從外界吸收金屬離子，在體內(nèi)將它們轉(zhuǎn)化為納米金屬顆粒.例如，培養(yǎng)基中減少的Au(Ⅲ)、Ag(Ⅰ)、Pt(Ⅱ)在紫花苜蓿幼苗中轉(zhuǎn)化形成了相應(yīng)的納米金屬顆粒[41].盡管相關(guān)研究報(bào)道納米金屬顆粒在植物體內(nèi)存在生物轉(zhuǎn)化，但到目前為止納米金屬顆粒在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化機(jī)理尚不清楚.

4 納米金屬顆粒對植物的生物效應(yīng)

納米金屬顆粒對植物的生物效應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，可能造成植物細(xì)胞膜損傷、細(xì)胞器功能破壞、DNA 損傷等負(fù)面影響(見圖3).在這些過程中，細(xì)胞內(nèi)ROS 水平起到了重要作用.納米金屬顆?？梢源龠M(jìn)植物體內(nèi)ROS(單線態(tài)氧、超氧陰離子、雙氧水和羥基自由基)的產(chǎn)生[25].100 mg/L 的納米金可以將薺菜體內(nèi)的ROS 含量提高29%[42].納米銀和納米氧化鋅也可以在植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的雙氧水[43].Panda 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，納米金不僅顯著增加了植物體內(nèi)的雙氧水含量，同時還顯著增加了超氧陰離子的含量.ROS 的生成可以抑制葉綠素的合成[44]，但也有研究發(fā)現(xiàn)納米金屬材料(如納米氧化鈰、納米氧化鋅、納米金、納米二氧化鈦)不會影響甚至?xí)龠M(jìn)葉綠素的合成[42,45].ROS 還會引起植物細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化，進(jìn)而導(dǎo)致離子滲漏和細(xì)胞死亡[25].研究[44,46]發(fā)現(xiàn)，納米氧化銅、納米氧化鋅和納米氧化鈰可以造成小麥和玉米的脂質(zhì)過氧化；但Rico 等[47]發(fā)現(xiàn)，納米氧化鈰對水稻沒有明顯的脂質(zhì)過氧化.此外，ROS 還會影響線粒體膜電位及抗氧化酶活性，這都可能對植物細(xì)胞造成損傷.由此可見，ROS 的產(chǎn)生是納米金屬顆粒對植物產(chǎn)生毒性效應(yīng)的主要原因之一，但其機(jī)制還需要更深入的研究.除此之外，納米金屬顆粒還可以影響植物對營養(yǎng)元素的吸收和運(yùn)輸.有學(xué)者認(rèn)為，納米金屬顆粒對植物吸收和運(yùn)輸營養(yǎng)元素的抑制比ROS 引起的毒害作用更強(qiáng)[25].納米氧化鈰可顯著降低大豆根瘤的固氮活性，進(jìn)而抑制大豆的生長[48].納米氧化鈰可以與磷結(jié)合，從而顯著降低植物體內(nèi)有效磷的含量[49].相反，納米二氧化鈦顯著增加了黃瓜體內(nèi)有效磷和鉀的含量.Taylor 等[50]研究發(fā)現(xiàn)，納米金下調(diào)了擬南芥中重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控基因的表達(dá).納米金屬顆粒對植物營養(yǎng)元素吸收和運(yùn)輸?shù)挠绊懮袩o一致結(jié)論，這可能由納米材料理化性質(zhì)、植物種類以及培養(yǎng)條件等因素共同決定.

圖3 金屬納米顆粒對植物的生物效應(yīng)[32]Fig.3 Biological effects of metal nanoparticles on plants[32]

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

a) 納米金屬顆粒在土壤中遷移轉(zhuǎn)化過程中的形態(tài)轉(zhuǎn)化受到土壤環(huán)境(pH、離子強(qiáng)度、離子價態(tài)、溫度、DOM)的影響，會發(fā)生吸附/解吸、分散/沉降、解離和氧化/還原等過程.

b) 納米金屬顆粒在植物中的運(yùn)輸過程：首先吸附在植物的根部，再通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途經(jīng)向植物內(nèi)部轉(zhuǎn)移，由木質(zhì)部和韌皮部組成的維管系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn).

c) 納米金屬顆粒在植物中的生物轉(zhuǎn)化過程主要包括在根際的轉(zhuǎn)化與在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化.根際分泌物以及植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)與有機(jī)酸等都起到了至關(guān)重要的作用.

d) 納米金屬顆粒在植物中的生物效應(yīng)主要包括植物氧化應(yīng)激以及對植物吸收營養(yǎng)的抑制.

5.2 展望

a) 由于納米材料種類繁多，性質(zhì)各異，納米金屬材料在植物-土壤系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程及相關(guān)機(jī)制尚未明確.未來可從以下幾方面繼續(xù)深入研究：①納米金屬顆粒在土壤中形態(tài)轉(zhuǎn)變過程的耦合效應(yīng)，各賦存形態(tài)在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑和機(jī)制還有待確認(rèn)；②在植物生長不同階段，納米金屬顆粒在植物體內(nèi)各部位發(fā)生的形態(tài)轉(zhuǎn)化也亟需研究；③關(guān)于納米金屬顆粒對植物毒性的研究仍有許多問題有待解決，如各形態(tài)對應(yīng)的植物毒性效應(yīng)、毒性效應(yīng)與植物對各形態(tài)的吸收運(yùn)輸之間的聯(lián)系等.這些問題的研究可為今后如何調(diào)控納米金屬顆粒在植物可食部分的積累以及阻斷植物對納米金屬顆粒的吸收途徑等提供理論支持.

b) 試驗(yàn)技術(shù)的限制使得目前無法采取有效措施以阻止土壤中納米金屬顆粒通過農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈，也阻礙了生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展.基于同步輻射的分析技術(shù)在納米金屬顆粒的環(huán)境轉(zhuǎn)化機(jī)制研究中可以發(fā)揮不可替代的作用.同步輻射X-射線吸收(XAS)、微束X 射線吸收近邊結(jié)構(gòu)分析(μ-XANES)及同步輻射掃描透射X-射線顯微成像技術(shù)(STXM)等技術(shù)是研究亞微米尺度下的結(jié)構(gòu)與功能的有力工具.隨著同步輻射技術(shù)的發(fā)展，基于同步輻射的成像、形態(tài)和微區(qū)元素分布分析技術(shù)能夠?yàn)檠芯考{米金屬在植物體內(nèi)的分布、形態(tài)，揭示納米金屬顆粒在土壤-植物系統(tǒng)中各微界面上的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及機(jī)制，明晰各形態(tài)納米金屬顆粒對植物的毒性效應(yīng)提供關(guān)鍵性的試驗(yàn)證據(jù).

c) 納米金屬材料在植物-土壤系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化及對植物的生物效應(yīng)是納米金屬顆粒安全性研究的重要內(nèi)容.今后應(yīng)通過同步輻射的分析技術(shù)結(jié)合膠體化學(xué)、土壤化學(xué)、生物化學(xué)和分析化學(xué)等手段，認(rèn)識納米金屬顆粒在土壤中各形態(tài)轉(zhuǎn)變過程的耦合效應(yīng)，了解納米金屬顆粒在植物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化過程和機(jī)制，厘清納米金屬顆粒各賦存形態(tài)在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑和機(jī)制，闡明納米金屬顆粒各形態(tài)對植物的毒性效應(yīng)，進(jìn)而為發(fā)展植物納米金屬顆粒的調(diào)控及阻斷技術(shù)，降低納米金屬顆粒的生物毒性，設(shè)計(jì)和開發(fā)環(huán)境友好型、生物相容性納米金屬材料提供科學(xué)依據(jù).