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纳米二氧化钛对镉胁迫下小白菜毒性效应的影响机制

【摘要】:纳米TiO_2是目前应用最广泛的纳米材料之一,可通过污水灌溉、废弃物填埋、施肥和污泥农用等途径进入农田环境,进而影响共存污染物(如Cd)的生物毒性。小白菜作为广泛食用和种植的绿叶蔬菜之一,易于从土壤中吸收Cd并转移到可食部位,对人体健康造成威胁。然而,纳米TiO_2与Cd共存时,在小白菜体内的吸收、积累和毒性效应机制尚不清楚。因此,本研究以小白菜(Brassica rapa var.glabra)为受试植物,采用水培实验,探索了纳米TiO_2和Cd在小白菜体内的吸收、转运行为及毒性效应,分析了纳米TiO_2对Cd胁迫下小白菜毒性效应的影响机制,结果表明:(1)纳米TiO_2通过共质体途径进入小白菜根系,在根部大量富集,并可向上转运至叶片;纳米TiO_2主要以颗粒团聚体的形式分布于小白菜根系和叶片细胞的细胞壁、细胞质、液泡和叶绿体中。(2)纳米TiO_2单独处理下,小白菜幼苗根系形态异常,根系变短变粗,根尖数、根体积均显著降低,从而导致小白菜幼苗的生物量显著降低。纳米TiO_2对小白菜的叶绿体结构没有明显损伤;当纳米TiO_2的处理浓度达到为50 mg·L~(-1)时,小白菜的叶绿素含量显著增加,促进了小白菜的光合作用;纳米TiO_2会诱导ROS的产生,导致超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)的应激反应,减轻ROS对细胞膜的损伤。(3)当Cd的处理浓度为1、10 mg·L~(-1)时,随着纳米TiO_2浓度的增加,小白菜对Cd的生物积累水平呈现增加趋势,当纳米TiO_2为20 mg·L~(-1)时,小白菜根部Cd含量比单独Cd处理组显著增加了44.13%和61.43%(P0.05);低Cd水平(1 mg·L~(-1))下,纳米TiO_2对小白菜叶片组织的SOD、POD活性呈现了显著的促进作用,对鲜重、叶绿素含量以及根系氧化损伤指标未见显著影响;高Cd水平(10 mg·L~(-1))下,纳米TiO_2为20 mg·L~(-1)时,小白菜叶片和根系组织的SOD、POD、CAT活性显著降低,细胞结构遭到严重破坏,且小白菜幼苗的生物量和叶绿素含量显著降低即纳米TiO_2增加了Cd对小白菜的生物毒性。以上研究结果揭示了纳米TiO_2对Cd的生物毒性效应机制,即纳米TiO_2作为Cd的载体,显著促进Cd在小白菜体内的积累,诱发膜脂过氧化,破坏小白菜的抗氧化防御系统和细胞的超微结构,导致氧化损伤。因此,虽然纳米TiO_2本身表现的毒性较低,但与其他污染物共存时,存在增加共存污染物对植物毒性的风险。本研究为国家建立纳米材料安全性评估和预防体系提供了科学依据,为确保国家粮食安全以及现代农业生态系统的健康发展提供了风险预测方向。

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