草木灰中纳米级碳颗粒对绿豆芽生长的影响

屈小涵 李学凤 黄荷蕤 张越

摘要    为了观察草木灰中的纳米级碳颗粒（以下简称碳颗粒）對绿豆发芽及生长的影响，试验采用透析方法制备了草木灰中的碳颗粒，并用电子显微镜进行观察，确认其纳米级别;然后将草木灰中纯化出的碳颗粒溶液加入琼脂糖凝胶中，制备含有碳颗粒的培养基;并将新鲜的绿豆种子分别放置于普通培养基和碳颗粒培养基凝胶上进行培养，待7 d后长出子叶，测量茎叶长度，并使用荧光显微镜观察绿豆芽中碳颗粒的分布与富集情况。结果表明，碳颗粒培养基凝胶上生长的绿豆芽较普通培养基上生长的绿豆芽长度更长，说明草木灰中的碳颗粒具有促进绿豆芽生长的作用。

关键词    绿豆芽;草木灰;纳米级碳颗粒;生长

中图分类号    TQ917;S522        文献标识码    A        文章编号   1007-5739（2019）11-0050-02

草木灰作为肥料应用在我国具有悠久的历史，最早可以追溯到先秦时期。草木灰的主要成分是碳酸钾（K2CO3），一般认为其中的钾盐等起到了钾肥的作用。草木灰是一种来源广泛、成本低廉、养分齐全、肥效明显的无机农家肥[1-2]，在等钾量施用草木灰时，草木灰肥效好于化学钾肥。目前研究认为，草木灰可促使种子提前发芽，长出的苗整齐、健壮，成苗率高，同时促进根系生长。另外，草木灰可以防止落叶、改善水果品质、抑制病虫害[3]以及提高果树抗旱性等。草木灰又称冬灰、藜灰（《本经》）、薪柴灰（《纲目》），是中医临床上的一种常用中药炭药，“炒炭止血”也是中医药的重要理论，比如黄芩炭、大黄炭等。最新研究表明，碳化后的植物药中具有纳米级碳颗粒，并具有生物活性，草木灰发挥止血作用的主要成分就是其中的纳米级碳颗粒。

但是查阅文献并没有发现关于草木灰中除了钾离子外，其他成分（如纳米级碳颗粒）会不会进入植物并产生作用的相关研究报道。进一步查阅文献得知，灰烬中较大的颗粒不会溶解，但是其中纳米级别的碳颗粒可以形成胶体溶液进入土壤中，而关于其在植物中的分布以及对植物生长的影响也未被研究过。

因此，本试验设计通过透析的方法除去无机盐等小分子，从草木灰中纯化出纳米级碳颗粒。由于纳米级别的碳颗粒可以发出蓝色荧光[4]，故试验中使用荧光显微镜观察其在植物中的分布，同时观察其对植物生长的影响。

1    材料与方法

1.1    试验材料

绿豆，购自物美超市;琼脂糖，购自北京化学试剂有限公司;去离子水，采用哇哈哈纯净水;草木灰，购自北京同仁堂有限责任公司;三角瓶等玻璃用品，购自天津福晨玻璃仪器厂;透析袋：截留分子量为1 000 Da，购自北京瑞达振辉有限公司。

电子显微镜（JEM-1230型电镜（日本）），荧光显微镜（奥林巴斯IX73型显微镜（美国））。

1.2    试验方法

1.2.1    草木灰中碳纳米颗粒的纯化与鉴定。称取10 g草木灰，用研钵将块状的草木灰捣碎成粉末，加入50 mL去离子水，充分搅拌，混匀，形成混悬液。静置30 min后，弃去沉淀，以除去不溶解的大颗粒。上清液装入截留分子量为1 000 Da的透析袋中，透析3 d，中间多次换液，以去除盐类等小分子物质，得到的透析液为胶体溶液。将胶体溶液滴到铜片上，使用有机金属研究所的JEM-1230型电子显微镜对胶体溶液中的碳颗粒进行观察。

1.2.2    植物培养基的制备。称取0.3 g琼脂糖，置于三角瓶中，加入30 mL TBE缓冲液，将该三角瓶置于微波炉中加热至琼脂糖溶解，待琼脂糖冷却至60 ℃以下后，加入5 mL草木灰水煮并透析后的溶液（将小分子化合物去除，只剩纳米级碳颗粒）;以加入等体积水溶液为对照。将配制好的凝胶倒入三角瓶中，室温静置冷却。

1.3    绿豆种子培养与观察

待凝胶凝固后，将新鲜、颗粒均一、饱满的绿豆种子随机分组放置于凝胶上，三角瓶用扎有气孔的保鲜膜封口，然后放入恒温恒湿箱中，25 ℃培养，并设置12 h光照、12 h黑暗模拟昼夜变化。1～2 d后，绿豆相继开始发芽;7 d左右胚乳基本消失，根系开始发达，并长出2片子叶。在培养7 d后，统计发芽率并用直尺测量生长状态;切取豆芽根、茎、叶制成切片，使用奥林巴斯IX73型荧光显微镜观察切片。

2    结果与分析

2.1    草木灰中碳纳米颗粒的纯化与鉴定

从图1可以看出，草木灰中存在6～8 nm的球形碳纳米颗粒。

2.2    碳纳米颗粒在植物中的分布

由于纳米级别的碳纳米颗粒可以发荧光，故可以在碳纳米颗粒处理组观察到明显的荧光，如图2（a）所示;而对照组则观察不到荧光，如图2（b）所示。从图3可以看出，通过荧光显微镜可以观察到，在根、茎、叶中出现了明亮的蓝色荧光。从图4、5也可以看出，植物茎中的导管、筛管及叶脉中充满了蓝色荧光。这表明碳颗粒在这些部位均有分布，因而可以推测这些碳颗粒首先被植物根部摄取，并通过茎中的导管向上运输，最终在子叶的叶脉中富集。

2.3    碳纳米颗粒对绿豆芽长度的影响

通过测量与统计发现，2个处理组之间绿豆的发芽率没有差异，均为9粒种子中有8粒发芽，且对绿豆芽的生长形态影响不明显（图6），而在绿豆芽生长长度（图7）上，碳纳米颗粒溶液组较对照组有显著提高，这意味着碳纳米颗粒可能对植物的生长有利。

3    结论与讨论

早在数千年前，中国古人就知道通过烧荒提高土壤肥力。现代研究一般认为，燃烧后的灰烬会为植物生长提供钾肥、氮肥等营养，但是并没有认为灰烬中的碳颗粒在其中起到作用。在本试验中，借助纳米级碳颗粒的荧光特性，观察到了其可以被植物摄取并吸收富集，最终还对植物的生长产生了正向影响。这说明去除小分子之后的草木灰碳纳米颗粒可以被植物吸收并能促进生长，草木灰对植物生长的影响并不只是单纯通过钾、氮离子的作用，而且还与其中含有的碳颗粒具有密切关系。目前，尚不清楚是通过何种方式使其促进了豆芽的生长，而且其是否能提高光合作用效率、促进植物对养分的吸收或加快植物的新陈代谢等仍需要通过进一步开展合理的对照试验来证明。本试验只是宏观观察了豆芽的生长，对于碳颗粒是否在微观上影响了 其他观测不到的性质目前尚不能确定。因此，如果条件允许，可以通过检测植物基因组及转录组的变化来全面探究碳颗粒对植物微观上的影响。

本試验仅仅观察到了植物对纳米级碳颗粒的吸收、分布与富集，并发现了碳颗粒可能对植物的生长有利;但是并不清楚是否只有来源于草木灰的碳纳米颗粒对植物生长有利。因此，在后续工作中将进一步考察不同来源的碳纳米颗粒在植物中的分布情况和对植物生长的影响。同时，在本试验中，虽然发现了碳颗粒有促进植物生长的作用，但是其具体的作用机制尚不明确，下一步应对其具体机制进行研究。

草木灰中的碳纳米颗粒可以被植物吸收并能促进植物生长，这一发现可能对农业生产具有巨大的意义和潜在应用价值。目前，促进植物生长的因素主要有氮肥、磷肥、钾肥、生长因子、土壤微生物及光照等[5-6]，而通过草木灰进入土壤中的碳纳米颗粒对植物生长的影响研究十分有限，本研究为寻找促进植物生长的方法提供了一个全新的角度。

4    参考文献

[1] 胡瑞轩.草木灰的积攒和施用[J].农民致富之友，1999（3）：13.

[2] 石峰，李楠，郭梓涵，等.草木灰颗粒肥对土壤速效养分的影响[J].河南农业，2016（20）：33-34.

[3] 赵金.草木灰防治果树病害的作用[N].陕西科技报，2018-11-13（006）.

[4] 颜范勇，邹宇，王猛，等.荧光碳点的制备及应用[J].化学进展，2014，6（1）：61-74.

[5] 赵启蒙.用于植物生长补光的LED照明系统研究[D].上海：复旦大学，2012.

[6] 吴建锋，林先贵.土壤微生物在促进植物生长方面的作用[J].土壤，2003，35（1）：18-21.