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第一作者：张鹏通讯作者：张鹏通讯单位：伯明翰大学地理、地球与环境科学系图文摘要成果简介近日，伯明翰大学地理、地球与环境科学系张鹏博士及其合作团队在环境领域著名学术期刊EnvironmentalScienceTechnology上发表了题为“GrowingRice(Oryzasativa)AerobicallyReducesPhytotoxicity,Uptake,andTransformationofCeO2Nanoparticles”的论文。文中发现了在淹水和旱地两种常见水稻培养模式下，纳米CeO2在水稻中转化与吸收不同，从而导致不同的生理响应。引言陆地生态系统是人工纳米材料(ENMs)进入环境后的主要汇聚地。纳米CeO2作为一种重要的ENMs进入陆地后不仅可能损害植物生长，还会在植物器官和果实中积累，并通过食物链传递，对人类健康和环境安全构成风险。尽管如此，近期人们也发现纳米CeO2在改善植物生长方面的亦具有应用价值。例如，纳米CeO2具有增强植物在高温、高盐、高氮、低氮等胁迫条件下的抗逆性。这种特性源于纳米CeO2自身的抗氧化性能，清楚自由基的能力。因此，纳米CeO2对植物的生物学效应可能是双向的，故在其实际应用前需对其植物效应进一步深入了解。ENMs活性高，在土壤-植物系统中容易发生转化，受各种物理、化学或生物因素的驱动。以往研究已表明CeO2NPs与植物作用后会发生化学转化，释放出Ce3+，并进一步与磷酸根、羧酸等结合，且该转化过程与其生物效应密切相关。由于该转化过程主要发生在根部，因此，根部微环境的变化将会对转化过程产生影响。水稻是一种半水生植物，在淹水及旱地条件下均可生长，水稻根部处于这两种截然不同的生长条件下，纳米CeO2的转化、转运、吸收及植物效应是否会受到影响尚不清楚。为此，本研究通过测量表型和生理参数（包括生物量、幼苗伸长率、光合作用以及有机和无机养分）等多项指标来评价不同浓度纳米CeO2盐水土壤或旱地中水稻生长的影响；通过测量植物中抗氧化系统的成分、DNA损伤和脯氨酸水平来评估胁迫状态和植物对胁迫的耐受性，利用同步辐射X-射线吸收谱技术对纳米CeO2转化进行了分析。图文导读纳米CeO2对水稻生长的影响图1.淹水(A-C)和好氧(D-F)条件下水稻的鲜重（A和D）、干重（B和E）和幼苗长度（C和F）。星号(*)表示与未处理的对照相比有显着差异，P0.05。在淹水条件下，与未处理的对照相比，纳米CeO2处理对水稻幼苗的鲜重没有显着影响（图1A），而在mg/kg的浓度下，根的干重增加了22%，并减少了干重。mg/kg时根和芽的重量分别增加了14%和34%。mg/kg的纳米CeO2使根和芽的伸长率分别提高了35%和38%。而在有氧（旱地）条件下，除幼苗重量在mg/kg纳米CeO2处理后增加了29%，纳米CeO2对鲜重和干重以及幼苗长度没有显着影响。该结果说明，纳米CeO2在旱地下对水稻生长的影响小于淹水条件。进一步研究发现光合作用系统、抗氧化系统（图2）、无机和有机营养累积等指标均表现出类似的趋势。图2.水稻植株对纳米CeO2暴露的胁迫反应。(A-D)和(E-H)分别表示水淹和有氧条件下的SOD活性、CAT活性、MDA含量和脯氨酸含量。*表示与相应对照相比在p0.05处有显着差异。进一步研究发现纳米CeO2在两种生长条件下在水稻中的吸收不同。从根部电镜照片来看没有明显的区别，CeO2均附着于根细胞表面，根中Ce累积量在两种条件下也没有明显区别（图3）。但植物地上部分Ce含量在淹水下明显高于旱地，说明无氧条件有利于Ce往地上部的吸收与转运，这可能是导致淹水比旱地下的生物效应高的原因之一。为此，团队进一步利用同步辐射X-射线吸收谱技术对CeO2的生物转化进行了研究。结果表明（图4），无论是土壤还是植物组织中，淹水条件下的转化成都均比旱地条件下高，说明，淹水条件有助于纳米CeO2的转化，这也就解释了纳米CeO2在两种条件下截然不同的植物学效应。图3.mg/kg纳米CeO2处理植物的根部切片(A-F)的TEM图像以及用和mg/kg纳米CeO2处理的植物（G和H）中Ce的含量。(A)和(D)分别是对照组在淹水和有氧条件下根的TEM图像。(B)和(E)表示根表面；(C)和(E)显示细胞间隙(IS)。箭头表示在根表面和IS中观察到的颗粒。(G)和(H)分别是根和芽中的Ce含量。不同小写字母表示处理间差异显着，P0.05。图4.mg/kg纳米CeO2处理后CeLIII-edgeXANES谱。（A）根际土壤；（B）非根际土壤；（C）根；（D）叶。小结该研究表明，灌溉方式通过改变土壤中的局部环境从而影响CeO2转化和Ce吸收，从而进一步影响纳米CeO2对光合作用、抗氧化系统、植物胁迫、DNA损伤以及最终植物生长的影响。应该指出的是，纳米CeO2是一种氧化还原敏感的纳米材料，因此未来还需要探索改变水灌溉方式是否也会影响其他纳米材料对植物生长的影响。此外，在中浓度下纳米CeO2对植物生长表现出促进作用，意味着纳米CeO2具有农业应用潜力；而高剂量的纳米CeO2则可能对植物生长构成风险。在实际农田中，纳米材料可能与其他常规污染物如As、Hg和Cd共存。众所周知，虽然有氧条件可能有利于降低As的生物利用度，但也可能导致Cd的生物利用度增加。该研究结果提示，未来需要更多的研究来深入了解由于水体变化引起的氧化还原电位的变化是否以及如何影响这些化学物质和纳米材料共存时的相互影响。该研究受国家自然科学基金委和欧盟H大型项目的资助，由伯明翰大学、中科院高能物理所及莱顿大学共同合作完成。卡内基梅隆大学GregoryLowry教授对该文进行了指导。课题组介绍张鹏:英国伯明翰大学高级研究员，玛丽居里研究学者。长期致力于重金属、纳米材料及其他新型污染物的环境行为与毒理学、污染物定量标记、纳米农用技术等方面的研究。在NaturePlants、NatureProtocols、PNAS、NanoToday、EST、ESTLetters等重要国际刊物发表论文71篇，另著专著章节3章。入选封面和封底论文6篇、期刊焦点论文3篇。现担任PLoSOne和Agriculture编辑、EnvironmentalToxicologyandChemistry编委、EnvironmentalPollution和FrontiersinToxicology专刊的客座编辑、Elsevier出版社“纳米农用技术”专著受邀编辑，英国牛顿基金评审专家、美国毒理学会正式会员。原文链接：


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