两种潜在污染物质对高等植物的生态毒性及机理研究

摘要

离子液体和纳米材料作为两种新型的功能材料被越来越广泛的应用,其对环境的污染问题也同益被人们所关注。目前越来越多的研究已经表明这两种新型的功能材料对水生和陆生生态系统具有毒性作用,但对高等植物的毒性作用研究较少,且毒理机制尚不明确。本文拟通过研究纳米材料(纳米TiO2)和两种离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑氯代盐[Bmim][Cl](1-alkyl-3-methylimidazolium chloride)和1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐[Bmim][CF3COOH](1-alkyl-3-methylimidazolium trifluoroacetic acid)对高等植物的毒性研究,来探讨这两种潜在的污染物质对植物的毒理机制。
　　 1.主要通过检测水稻的萌发率、根长、生物量、活性氧(ROS)含量,抗氧化系统酶(氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD)活性和MDA水平,来研究纳米TiO2对水稻的生态毒性和机理,结果表明:
　　 (1)纳米TriO2对水稻的萌发没有显著影响,但对水稻幼苗根的伸长、苗高以及生物量均有显著的抑制作用。
　　 (2)在高浓度(100mg/L以上)处理下,纳米TriO2会诱导水稻幼苗O2-含量、H2O2含量和根部组织ROS含量显著升高。
　　 (3)在纳米TiO2处理后,水稻幼苗的抗氧化酶活性显著升高以抵抗ROS诱导的氧化损伤。在高浓度纳米TiO2处理下,过量产生的ROS打破了水稻氧化-抗氧化系统的平衡导致体内MDA水平显著升高。
　　 这些结果表明,纳米TiO2可能会诱导水稻根部ROS激增,对机体产生氧化损伤从而抑制水稻的生长。
　　 2.研究了两种离子液体([Bmim][Cl]和[Bmim][CF3COOH])对蚕豆的生态毒性,并进一步对其毒理机制进行了探讨。
　　 (1)两种离子液体对蚕豆根和茎的伸长均有抑制作用,从LC50来看,离子液体[Bmim][Cl]的毒性要小于[Bmim][CF3COOH]的毒性。
　　 (2)两种离子液体对蚕豆根尖分生区细胞有丝分裂指数有明显的抑制作用,使得细胞微核千分率、染色体畸变率明显升高,且随着离子液体浓度升高和处理时间的延长,抑制作用增强。通过蚕豆根尖细胞彗星实验,发现两种离子液体均对蚕豆根尖细胞产生DNA损伤。
　　 (3)两种离子液体导致蚕豆保卫细胞ROS过量积累,同时也诱导了蚕豆幼苗的抗氧化性酶活性显著升高以抵抗ROS诱导的氧化损伤。在高浓度纳米TiO2处理下,过量产生的ROS打破了蚕豆氧化.抗氧化系统的平衡导致体内MDA水平显著升高。
　　 从这些结论中可以得知,[Bmim][CF3COOH]和[Bmira][Cl]可以诱导蚕豆叶片保卫细胞ROS爆发,而过量的ROS破坏了植物自身的抗氧化系统导致机体产生氧化损伤。此外,ROS可以产生细胞膜质过氧化损伤并攻击细胞核染色体。DNA,诱导染色体变异和DNA断裂,干扰细胞的正常有丝分裂过程,从而降低细胞的正常分裂并导致植物生长受阻和死亡。
　　 本文首次研究并证明了纳米TiO2对水稻的植物毒性作用机制和离子液体对蚕豆的遗传毒性及机理。这些数据弥补了纳米TiO2和离子液体在植物生态毒性研究方面的不足,为这两种潜在污染物质的应用奠定毒性理论基础。