氧化石墨烯对小麦生长及生理生化指标的影响

论文总字数：18300字

目 录

第一章 引言 5

1.1 纳米材料 5

1.2 石墨烯及其应用 5

1.3 石墨烯对环境影响的研究 6

第二章 氧化石墨烯对小麦幼苗生长和生理生化过程实验方法 8

2.1 材料与仪器 8

2.2 小麦幼苗培养实验 8

2.3 抗氧化酶酶活性和丙二醛含量的测定 9

2.4 离子通量的测定 10

2.5 膜电势的测定 10

2.6 扫描电镜观察 10

2.7 数据处理 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 小麦幼苗的萌发和生长 12

3.2 抗氧化酶活性和MDA含量 13

3.3 离子通量 15

3.4 扫描电镜 16

第四章 结论 17

参考文献： 17

致谢 20

氧化石墨烯对小麦幼苗生长及生理生化指标的影响

崔昊天

ABSTRACT：

With wheat as experimental material, this paper analyzed different concentration oxidized Graphene (Graphene oxide, GO) under duress, wheat seedling growth, antioxidant enzyme activity and the change of malondialdehyde content and index, adopted non damage measurement technique to determine the presence of Graphene oxide in wheat root tip cell hydrogen ions, and the dynamic change of calcium ion, with proven Graphene oxide of plant physiology toxicity effect of wheat seedlings. The results show that the training after 10 d, low concentration of graphene oxide (200 mg · L ^-1) or less on the growth of wheat root of a certain role in promoting, but decreased with the increase of the concentration (200-1000 mg · L ^-1) promotes gradually weakened. However, at the concentration of this study, it did not affect the growth of wheat field. Graphene oxide processing wheat seedling roots and leaves of Chinese super oxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD) and malondialdehyde (MDA) fell before rising trends, and less than 200 mg · L ^{- 1} when the antioxidant enzyme activity and MDA content were lower than control treatment, shows that low concentration of graphene oxide no oxidative stress on the growth of wheat seedlings, with the graphene oxide may have certain antioxidant capacity, and high concentration resulted from oxidative stress due to the physiological and biochemical indicators gradually rise.

Key word: Wheat；GO；antioxidant enzyme； MDA

引言

1.1 纳米材料

纳米粒子是粒径大小在0.1nm-100nm的超微粒子结构。而物质达到纳米级时，其性质会发生改变。随着纳米科技飞速前进，纳米材料被广泛应用，人们认识到纳米材料的多种优势。而在纳米科技带来极大市场效益的同时，也引发了很多潜在的环境风险和其他负面效应。2003年4月Science，7月Nature，开始陆续载文讨论纳米材料的生物效应，以及其对环境和健康影响等问题^[1]。到2004年1月，美国化学学会的Environmental Science amp; Technologies杂志也载文强调了对纳米材料的安全性问题进行研究的必要性。纳米技术产业链上下游的研究员和工人乃至消费者每天都暴露在纳米材料环境中，纳米颗粒安全性的重要可见一斑。

在对动物研究上，早在1997年，英国牛津大学和蒙特利尔大学的科学家就发现防晒霜中的ZnO、TiO₂的粒子能够引发人体皮肤细胞的自由基活动，从而破坏DNA^[2]。Berdorster等研究发现，暴露于20nm含聚四氟乙稀微粒的空气中的大鼠在4h内死亡，而另一组暴露于120nm含聚四氟乙稀微粒的空气中的大鼠却安然无恙^[3]。

而在对植物的研究中，Thakkar K N等研究发现，人工的ZnO纳米材料不仅能够降低黑麦草的生物量，使根尖缩窄，表皮和皮层细胞空泡化甚至还崩解^[4]。同时还发现，人工纳米材料对拟南芥的毒性比同等浓度的要高得多。Daohui Lin等人于2007年在上发表文章，发现浓度为2000mg/L的纳米氧化锌对玉米的种子萌发能够产生一定的抑制作用，并且不同种类的纳米粒子对植物根部的生长的影响程度也不一样，这主要说明不同的纳米粒子对植物种子的萌发和植物根部的生长都有一定的影响^[5]。Franklin等人利用藻类比较了纳米ZnO、非纳米ZnO、ZnCI₂的毒性，并认为纳米ZnO所溶解出的锌离子是产生毒性的主要机制^[6]。Lin等人研究5种纳米材料(多壁碳纳米管、错、氧化锅、锌、氧化锌)对高等植物产生的影响时发现纳米材料对高等植物产生了明显的毒性作用，抑制了种子萌发及根生长^[7]。

1.2 石墨烯及其应用

石墨烯（graphene）是由碳原子sp2杂化形成的具有二维结构的新型纳米材料^[8]。自2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中成功分离出石墨烯之后，有关石墨烯材料的研究就引起了国内外学术界的广泛重视。其合成方法多种多样，包括机械剥离法、肼还原法、石墨的声波处理法、Hummers法等。根据其组成结构和合成方法，石墨烯主要可分为三大类：纯石墨烯（pure graphene）、氧化石墨烯（graphene oxide）和还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide）。其良好的生物相容性，以及特殊的共轭结构，使得研究人员将其用于装载难溶性抗癌药物，应用于对癌症的靶向治疗和生物治疗；地球表面大部分被水所覆盖，但是由于大量的盐的存在，使得我们很难将它当做饮用水的来源。为了解决这个问题，曼彻斯特大学的研究人员已经开发出一种可扩展的、孔径大小均匀的氧化石墨烯薄膜，它可以过滤掉极其微小的盐颗粒，而不过多影响水的流动；由国家物理实验室（NPL）和伯尔尼大学率领的国际研究团队开发了使用石墨烯调节下一代分子电子器件功能的新途径。可以利用这些结果开发更小，更高性能的器件，用于一系列应用，包括分子检测，柔性电子器件，能量转换和存储，以及电阻标准的稳定测量设置。由于具有极高的机械强度、优异的导电性能、良好的光学特征和独特的电化学特性，石墨烯被广泛应用于电子、光学、纺织、医疗器械、化妆品、食品包装、水处理技术、燃料电池等各个行业^［9-11］。近年来，纳米材料产品正以每三年近乎翻倍的速度增长，预计到2020年时市场价值将会达到3万亿，而石墨烯由于其特性必将占据纳米材料重要部分。

1.3 石墨烯对环境影响的研究

然而，随着石墨烯的生产和应用推广，其不可避免地会释放到水体、大气、土壤环境中，进而可能会对生态环境和人类生产生活产生影响。如胡俊杰等研究发现,氧化石墨烯在环境介质中主要形成稳定胶体且具有难以降解和易于多介质间迁移等特点;同时,氧化石墨烯还可以进入藻类、鱼类、植物、大鼠以及微生物细胞内并引起氧化应激反应导致炎症发生、多种细胞器损伤和组织器官形态异常^[12]如刘艳等研究发现氧化石墨烯经尾静脉注射可导致动物死亡,并对A549细胞生长具有抑制作用^[13]；Liao K H等研究了石墨烯和氧化石墨烯对红细胞和人皮肤成纤维细胞的毒性作用，认为石墨烯和氧化石墨烯对红细胞溶血功能有影响，粒径越小，毒理作用越强，且石墨烯比氧化石墨烯的毒性作用更强^[14]；Wang K等人将不同浓度的氧化石墨烯和人造纤维细胞进行体外观察，观察到当氧化石墨烯质量浓度低于20 ug/ml时，对细胞无明显的细胞毒性，当质量浓度大于50 ug/ml时，出现了明显的毒性，细胞存活率开始下降，细胞漂浮凋亡，并且随剂量增加和培养时间增长，细胞存活率下降明显^[15]。

石墨烯不仅对动物具有一定的毒性效应，对植物也会产生一定的影响。植物作为生态系统结构的重要组成和初级生产者之一，研究石墨烯对植物的毒性对全面揭示石墨烯的生态环境效应至关重要。目前，已有一些学者对石墨烯等纳米材料对植物的发芽率、根长、株高和代谢的影响展开了研究。如Anjum等研究表明，石墨烯可以影响植物种子萌发和生长过程，100、200、1600 mg/L（SGO）通过提高氧化应激降低新陈代谢抑制种子的萌发，其影响大小为：1600gt;200gt;100 mg/L，而当氧化石墨烯浓度为400、800 mg/L时，可以通过提高过氧化氢酶的含量等促进种子的萌发，其影响大小为：800gt;400 mg/L^[16]。Begum等研究了不同浓度石墨烯对卷心菜、西红柿、红苋菜和莴苣发芽、生物量、形状、细胞坏死和活性氧自由基种类的影响，结果表明石墨烯对莴苣幼苗影响比较小但对其他植物影响都很大，其影响因素主要包括石墨烯的剂量、暴露时间、植物种类等^[17]。石墨烯可以经内吞作用进入细胞，产生活性氧自由基诱导线粒体损伤，进而引发细胞凋亡。因此，石墨烯可能会对生态环境和人体健康产生危害。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18300字

相关图片展示：