發(fā)布時(shí)間：2020-06-03 01:13

【摘要】：金屬納米顆粒(MNPs)的廣泛應(yīng)用使其在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和處置過(guò)程中不可避免地進(jìn)入環(huán)境,并可能產(chǎn)生一定的潛在危害。環(huán)境條件的變化會(huì)影響MNPs的環(huán)境行為與歸趨。農(nóng)田土壤是納米材料在環(huán)境中的主要?dú)w宿,MNPs與土壤顆粒和微生物等物質(zhì)直接接觸會(huì)改變MNPs的形態(tài)和生物有效性。釋放到環(huán)境中的MNPs還可能被植物吸收、運(yùn)輸和累積,并最終通過(guò)食物鏈危害動(dòng)物和人體健康。因此,研究MNPs在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化可為科學(xué)評(píng)估MNPs的農(nóng)產(chǎn)品安全問(wèn)題及環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)提供重要依據(jù)。本文針對(duì)這一前沿問(wèn)題,選取氧化銅納米顆粒(CuO NPs)為研究對(duì)象,模擬水體和土壤環(huán)境條件,考察了環(huán)境因素對(duì)水體中CuO NPs環(huán)境行為影響的分子機(jī)制,明確了CuO NPs在土壤中生物有效性以及形態(tài)轉(zhuǎn)化,揭示了CuO NPs的植物吸收方式與運(yùn)輸途徑,研究了整個(gè)生育期水稻對(duì)土壤中CuO NPs的吸收累積轉(zhuǎn)化規(guī)律,探索了CuO NPs脅迫下水稻蛋白組的響應(yīng)機(jī)制。主要研究結(jié)果如下：(1) 弄清了環(huán)境條件變化對(duì)CuO NPs團(tuán)聚、沉降和溶解性的影響。環(huán)境pH很大程度上決定了CuO NPs的表面電荷。pH遠(yuǎn)離CuO NPs零電荷點(diǎn)時(shí),顆粒間能量壁壘增大,團(tuán)聚現(xiàn)象減弱,顆粒穩(wěn)定性增加；CuO NPs的溶解性隨pH的降低而急劇增加。溶液離子強(qiáng)度和價(jià)態(tài)的增加導(dǎo)致顆粒間斥力減弱,加劇了NPs的團(tuán)聚與沉降；高離子強(qiáng)度顯著促進(jìn)了CuO NPs的溶解,但Ca2+對(duì)CuO NPs溶解的影響遠(yuǎn)低于Na+。胡敏酸、檸檬酸和半胱氨酸等天然有機(jī)質(zhì)通過(guò)改變靜電作用和空間位阻或形成Cu(Ⅱ)-S鍵,影響了NPs的團(tuán)聚和沉降；天然有機(jī)質(zhì)尤其是檸檬酸促進(jìn)了CuO NPs的溶解。(2) 闡明了淹水條件波動(dòng)時(shí)土壤中CuO NPs生物有效性及其形態(tài)變化規(guī)律。CuO NPs影響了整個(gè)水稻生育期土壤的理化性質(zhì),且作用強(qiáng)度顯著高于氧化銅普通顆粒(CuO BPs).土壤pH和氧化還原電位(Eh)隨CuO NPs濃度的增加而上升,電導(dǎo)率(EC)則表現(xiàn)出相反趨勢(shì),而到成熟期NPs和BPs兩者對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響差異不顯著。土壤中CuO NPs的生物有效性隨水稻的生長(zhǎng)而大幅降低,但成熟期淹水-落干交替過(guò)程導(dǎo)致土壤中植物可利用態(tài)銅含量急劇上升。同時(shí),土壤中CuO和胡敏酸結(jié)合態(tài)銅逐漸轉(zhuǎn)化成Cu2S和針鐵礦吸附態(tài)銅。(3) 證明了CuO NPs能被植物吸收并發(fā)生遷移和生物轉(zhuǎn)化。CuO NPs能夠進(jìn)入植物根表皮、外皮層和皮質(zhì),并最終到達(dá)內(nèi)皮層,卻仍然很難穿過(guò)凱氏帶。然而,側(cè)根的形成為CuO NPs進(jìn)入中柱提供了潛在途徑。CuO NPs在植物體內(nèi)遷移過(guò)程中,溶解的Cu與半胱氨酸、檸檬酸和磷酸根結(jié)合,部分Cu(u)被還原成Cu(I)。另外,水稻根細(xì)胞以及細(xì)胞間隙中Cu元素分別以檸檬酸銅和CuONPs形態(tài)存在。(4) 揭示了整個(gè)生育期CuO NPs在水稻中的累積與轉(zhuǎn)化規(guī)律,說(shuō)明CuONPs會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全與質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。經(jīng)土壤中CuO長(zhǎng)期脅迫后,高濃度CuO大幅降低了植物生物量和最終產(chǎn)量,NPs主要表現(xiàn)出急性毒性作用,而BPs則為慢性毒性。水稻根為Cu元素的主要累積部位,500 mg/kg CuO NPs處理后的稻米中Cu元素累積量明顯高于其他處理組,且主要分布在糊粉層、谷皮和種皮。CuONPs處理后的成熟期水稻根、葉和谷殼中均有少量CuO,然而并沒(méi)有在水稻米粒中發(fā)現(xiàn)CuO的存在。(5) 明確了水稻通過(guò)改變其蛋白組的表達(dá)來(lái)響應(yīng)CuO NPs的脅迫。CuONPs脅迫誘導(dǎo)的差異蛋白數(shù)量顯著高于Cu2+和CuO BPs,且下調(diào)表達(dá)蛋白數(shù)量明顯高于上調(diào)表達(dá)蛋白。CuO NPs脅迫誘導(dǎo)的差異蛋白主要參與細(xì)胞過(guò)程和代謝過(guò)程,行使結(jié)合和催化活性功能,并大部分位于細(xì)胞和細(xì)胞器中。植物主要通過(guò)誘導(dǎo)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶和氧化還原酶等蛋白上調(diào)抵御來(lái)自CuO NPs的氧化脅迫。CuO NPs脅迫誘導(dǎo)的差異蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)連接度個(gè)數(shù)較小,大部分差異蛋白下調(diào),部分差異蛋白的上調(diào)增強(qiáng)了水稻對(duì)CuO NPs的抗性。
【圖文】：

圖２．邋１經(jīng)典ＤＬＶＯ理論示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｃｌａｓｓｉｃ邋ＤＬＶＯ邋ｔｈｅｏｒｙ逡逑經(jīng)典的ＤＬＶＯ理論是基于由范德華引力和靜電斥力組成的相互作用能平衡逡逑（公式２．１邋），其中靜電斥力來(lái)自相互作用顆粒表面的雙電子層。范德華引力（＇／，拍＇）逡逑和靜電斥力Ｕ／居，）都是與溶液中兩個(gè)棲互作用顆粒之間的作用距離有關(guān)的函數(shù)。逡逑除了水力半徑，范德華為還與ＮＰｓ自身性質(zhì)決定的哈梅克常數(shù)有關(guān)（公式２．２）。逡逑靜電斥力與ＮＰｓ的表面電位和德拜長(zhǎng)度相關(guān)（公式２．３），德拜長(zhǎng)度又是水中離逡逑子強(qiáng)度和電解質(zhì)的函數(shù)（公式邋２．４邋）（Ｈｏｅｋ邋ａｎｄ邋Ａｇａｒｗａｌ，，邋２００６；邋Ｒｕｎｋａｎａ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００６）。逡逑二喘邋＊邋巧，邐２．１逡逑卿＆）邋＝邋＿么［．城．．．．邸，＋ｉ／（８櫖邐＋邋叫邐２２逡逑６々（８／？？＋／０邋（４欠Ｒ＋Ａ）－邐（４巧８＋畔邐■逡逑

２．３結(jié)果與分析逡逑２．３．１邋ＣｕＯ邋ＮＰｓ邋表征逡逑ＣｕＯＮＰｓ經(jīng)樹脂包裹后切片，利用ＴＥＭ觀察ＮＰｓ的形貌與粒徑（圖２．２）。逡逑通過(guò)ＴＥＭ統(tǒng)計(jì)多顆ＣｕＯＮＰｓ的尺寸并計(jì)算得到平均粒徑為４２．９±２１．１ｎｍ，這與逡逑生產(chǎn)廣家提供的產(chǎn)品說(shuō)明書中參考粒徑基本一致，但產(chǎn)品中有些顆粒粒徑較大，逡逑可達(dá)６４邋ｎｍ。所有的ＮＰｓ形態(tài)接近于球型或梢圓型。逡逑灥逡逑圖２．邋２邋ＣｕＯ邋ＮＰｓ的透射電鏡圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ＣｕＯ邋ＮＰｓ逡逑３０逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X53;X56

【參考文獻(xiàn)】

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1 肖清鐵;王經(jīng)源;鄭新宇;戎紅;張國(guó)君;王良華;謝惠玲;李藝;陳珊;林瑞余;林文雄;;水稻根系響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)差異表達(dá)[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2015年24期

2 鄧林;李柱;吳龍華;劉鴻雁;駱永明;;水分及干燥過(guò)程對(duì)土壤重金屬有效性的影響[J];土壤;2014年06期

3 張緒剛;牛利;唐智勇;;氧在銀/半胱氨酸螺旋納米帶形成中的作用[J];科學(xué)通報(bào);2014年Z2期

4 郭廣勇;袁濤;汪潔;王文華;;老化過(guò)程中銅形態(tài)變化的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜的(XAFS)初步研究[J];生態(tài)毒理學(xué)報(bào);2014年04期

5 呂繼濤;羅磊;張淑貞;楊科;;玉米對(duì)納米TiO_2的吸收和累積[J];環(huán)境化學(xué);2011年05期

6 袁文俊;周勇敏;;納米顆粒團(tuán)聚的原因及解決措施[J];材料導(dǎo)報(bào);2008年S3期

7 李非里,劉叢強(qiáng),宋照亮;土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析綜述[J];中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè);2005年04期

8 汪漢斌,劉祖黎,盧強(qiáng)華,彭麗,姚凱倫;檸檬酸根對(duì)納米Fe_3O_4顆粒的生長(zhǎng)及性能的影響[J];無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào);2004年11期

9 陳泉,施蘊(yùn)渝;小泛素相關(guān)修飾物SUMO研究進(jìn)展[J];生命科學(xué);2004年01期

10 黃驥,王建飛,張紅生,曹雅君,林長(zhǎng)發(fā),王東,楊金水;水稻葡萄糖-6-磷酸脫氫酶cDNA的電子克隆[J];遺傳學(xué)報(bào);2002年11期

本文編號(hào)：2694061