水环境中半胱氨酸和咪唑乙烟酸对金属银形态变化和植物毒性的对映体差异

摘要

半胱氨酸(Cys)是环境中和生物体内常见的一种含巯基的氨基酸，具有很强的氧化还原能力和与金属成键的能力。咪唑乙烟酸(IM)作为一种施用最大的咪唑啉酮类除草剂，在环境中存在范围大，浓度高，由于其毒性大，残留大，对生态环境的影响较大。银(Ag)由于其很强的灭菌活性，强导电性，及量子效应而广泛应用于人类的生产生活中。此外，Cys和IM都是手性化合物，在环境中，当不同形态的Ag与Cys和IM共存时，这些手性化合物对Ag的环境行为是否会出现对映体效应。因此，研究Cys和IM对Ag的形态变化及其生物毒性效应，具有很重要的环境意义。本文的主要研究内容如下:
　　(1)L，D-Cys对Ag+赋存形态的影响。L，D-Cys和Ag+能够在自然光照下形成纳米银(AgNPs)，AgNPs表面被L，D-Cys修饰后形成具有手性的AgNPs。L，D-Cys和Ag+在自来水、绿藻培养液、大型蚤培养液、拟南芥培养液中均能形成AgNPs，这说明在环境中的AgNPs除了来自人为排放还可以由Ag+转化而来。此外，L，D-Cys影响AgNPs的生成量，L-Cys形成AgNPs多，D-Cys形成AgNPs少。由于培养液成分差异，在绿藻和大型蚤体系中L构型的AgNPs有明显的团聚显现。因此，在评价环境中金属的环境行为时，需充分考虑在有机物的影响下金属的赋存形态变化，还应从对映体水平上考虑不同构型的有机物对金属的赋存形态变化的对映体选择效应。
　　(2)具有手性的AgNPs溶液对拟南芥和绿藻的毒性效应。L，D构型的AgNPs对拟南芥和绿藻的毒性具有对映体差异。L构型的AgNPs对拟南芥的毒性大于D构型的AgNPs及相应Ag+浓度下的处理组，D构型的AgNPs对拟南芥的生长抑制效应不明显。同时，两种构型的AgNPs均能影响拟南芥叶片中微量元素的分布，其中钾和钙两种元素呈现出明显的对映体差异，L型的分布在叶尖，D型的分布在叶柄。两种构型的AgNPs引起叶片中微量元素的变化，能够导致拟南芥生长的对映体差异。此外，L，D构型的AgNPs能够抑制绿藻的生长，并破坏其亚细胞结构。因此，在评价Ag+的毒性效应时，应充分考虑其赋存形态改变后的毒性变化，以及可能存在的对映体差异。
　　(3)IM对AgNPs赋存形态的变化及其植物毒性的对映体差异。IM和AgNPs的复合毒性对拟南芥生长抑制表现出对映体差异，随AgNPs浓度的升高叶片中叶绿素含量降低，从两种指标可以看出S-IM和AgNPs的复合处理组对生长抑制和光合作用的影响小，Rac，R-IM和AgNPs的复合处理组对生长抑制和光合作用的影响大。通过对拟南芥根和叶中H2O2的测定，发现Rac，R-IM和AgNPs处理组中H2O2的含量明显高于S-IM和AgNPs的复合处理组及对照组。而高浓度的H2O2又诱导机体提高抗氧化酶活性，因此，Rac，R-IM和AgNPs处理组中叶片中CAT，POD，SOD的酶活性显著升高。在拟南芥的叶中发现MDA含量也明显升高，这说明在Rac，R-IM和AgNPs处理组的叶片中ROS含量高，脂质过氧化严重。根由于与污染物直接接触，根尖细胞结构损伤，导致酶合成系统损害，致使酶活性降低。此外，通过对拟南芥叶片和根中游离氨基酸的测定分析，Rac，R-IM单独处理组、Rac，R-IM和AgNPs复合处理组中总游离氨基酸含量现象高于对照组，且在叶片中Asp，Thr,Tyr三种游离氨基酸对含有Rac，R-IM的处理组具有特异性。IM能够改变AgNPs颗粒表面的Zeta电位，在拟南芥的培养体系中诱导AgNPs释放Ag+，并在拟南芥的根和叶中检测到Ag。这说明AgNPs能够进入植物体内并在机体内转运。IM和AgNPs的复合作用下，AgNPs能够释放Ag+，IM和AgNPs复合处理时对拟南芥会产生毒性效应且有对映体差异。通过Ag+和IM复合后对拟南芥生长抑制的实验发现，释放出的Ag+含量单独作用时对拟南芥作用没有毒性效应，但与IM复合后对拟南芥会产生毒性且有对映体差异，因此，Ag+对IM和AgNPs的复合毒性有贡献。然而Ag+能够与IM相互作用形成配合物，增加Ag+对拟南芥的毒性。因此在评价有机物和金属纳米颗粒的复合毒性效应时，需考虑释放出的金属离子与有机物的相互作用及其毒性效应，从而更全面的评估复合污染的毒性机制。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 重金属的化学形态变化

1．2．1 重金属的化学形态变化的影响因素

1．2．2 重金属的化学形态变化的两种途径

1．3 重金属对植物的毒性效应

1．3．1 重金属对植物的毒性效应

1．3．2 纳米颗粒对植物的毒性效应

1．4 手性污染物的研究概况

1．4．1 半胱氨酸的研究概况

1．4．2 咪唑乙烟酸的研究概况

1．5 重金属和有机污染物复合污染研究概况

1．5．1 重金属离子和有机污染物复合污染研究现状

1．5．2 金属型纳米颗粒和有机污染物复合污染研究现状

1．6 论文目标和基本思路

第二章 半胱氨酸对银离子形态变化和植物毒性的对映体差异

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 主要材料与试剂

2．2．2 仪器设备

2．2．3 纳米银的制备

2．2．4 纳米银的表征手段

2．2．5 纳米银的毒性评价

2．3 结果与讨论

2．3．1 纳米银的制备表征

2．3．2 不同溶液体系下的纳米银形态变化

2．3．3 L，D构型的纳米银对拟南芥的毒性效应

2．3．4 L，D构型的纳米银对斜生栅藻的毒性效应

2．4 小结

第三章 咪唑乙烟酸对纳米银的形态变化和植物毒性的对映体差异

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 主要材料与试剂

3．2．2 仪器设备

3．2．3 纳米银在悬浮液和拟南芥体内的表征

3．2．4 IM和AgNPs对拟南芥的复合毒性

3．2．5 IM和AgNPs的毒性机理

3．3 结果与讨论

3．3．1 IM和AgNPs对拟南芥的生长抑制和叶绿素含量变化

3．3．2 AgNPs在拟南芥根和叶中的含量与分布

3．3．3 IM和AgNPs对拟南芥的根和叶中H2O2产量影响

3．3．4 IM和AgNPs对拟南芥的根和叶中CAT，SOD，POD和MDA产量影响

3．3．5 IM和AgNPs对拟南芥的根和叶中游离氨基酸的影响

3．3．6 AgNPs的Zeta电位测定

3．3．7 AgNPs在培养液中的析出Ag+的量

3．3．8 Ag+和IM的相互作用

3．3．9 Ag+与IM的配位作用后对拟南芥毒性影响

3．4 小结

第四章 结论与展望

4．1 研究结论

4．1．1 L，D-Cys对Ag+的赋存形态的改变和植物毒性的对映体差异

4．1．2 IM对AgNPs的形态变化和植物毒性的对映体差异

4．2 创新点

4．3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文