砷胁迫下不同纳米颗粒对水稻养分吸收、生理特性及砷累积的影响

苏瑞琴　张妍　崔同霞

摘要：采用盆栽试验，研究施用3种纳米颗粒（SiO2、TiO2、MnO2）对不同砷（As）浓度（0、10、30 mg/kg）下水稻养分吸收、生理特性及As累积的影响；探讨纳米材料对As胁迫下水稻养分吸收及相关生理适应机制，为水稻安全生产提供理论依据。结果表明，与As0处理相比，砷胁迫（As10、As30）整体降低了水稻生物量、养分累积量（K、P、S、Ca、Mg、Zn、Mn、Fe、Cu）、光合气体交换参数（Pn、Ci、Gs、Tr），且提高了丙二醛（MDA）含量及抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性，在此基础上施用纳米材料均整体提高了水稻养分吸收及改善了相关生理生化特征，但不同As水平下不同处理间存在差异。无和低As胁迫水平（As0、As10）下各处理整体表现为CK＜TiO2、MnO2＜SiO2；而在较高As胁迫处理（As30）下则以MnO2纳米粒子处理最佳，同时MnO2处理下土壤、植株的As浓度、生物富集系数（BCF）及转移系数（TF）降幅最大。综上，在砷胁迫土壤中整体以施用MnO2纳米颗粒处理较佳，尤其表现在高As污染中；As30水平下，与其他处理相比，MnO2纳米颗粒处理的土壤、根、茎、叶、穗As浓度均明显降低，BCF、TF则分别显著降低13.36%～59.91%、3.87%～33.36%。

关键词：纳米材料；砷胁迫；水稻；元素累积；生理特性

中图分类号：S511.01文献标志码：A文章编号：1002-1302（2023）17-0067-08

土壤重金属污染已成为发展中国家和发达国家共同关注的环境安全問题［1］。砷（As）是常见的重金属物质，其具有高移动性、高毒害性以及不可生物降解等特性。未受污染的土壤中As正常含量较低，但由于近年来含As化肥与农药的大量施用，农田土壤As含量往往超标［2］。研究表明，As对植物具有极强的致毒性，可显著抑制植物的光合代谢活性和矿物质养分吸收，使植物生理系统紊乱，严重时可直接导致植物死亡［3］。水稻作为世界上60%以上人口的主食，是碳水化合物、淀粉、蛋白质以及维生素的重要膳食来源。然而由于水稻生长周期较长、生物量大，具有较大的As累积潜力，且活力最强的As（Ⅲ）多存在于淹水环境中，这些因素使得As胁迫成为水稻安全生产的重要潜在威胁［4］。因此，发展可持续战略以减少水稻As积累对于食品安全和人类健康至关重要。

植物修复与农业生产（PCA）相结合是基于“边修复边生产”理念延伸的一项在不断农业生产情况下同时修复和安全使用重金属污染土壤的可持续模式，这对于轻度和中度污染的农业用地尤为重要［5］。在传统的PCA模式中，田间利用As高积累作物（如苋菜、向日葵）或超积累植物（景天、万寿菊、龙葵等）可在一定程度上修复农业用地土壤中的As污染，但在实际运用中仍存在较大弊端，如经济效益降低、劳动成本增加及不切合农民传统的种植习惯等［6］。因此，目前土壤As修复技术主要为钝化、淋洗、电动修复技术等［7］，而高性价比、环境友好的阻控技术亟待探索。

纳米技术是一种在纳米尺度上进行的新兴尖端技术，其可利用金属氧化物作为纳米调节剂从而提高植物性能、粮食产量和营养品质，因此受到越来越多的关注［8］。大量研究表明，外源性施用纳米颗粒（NPs）可以显著改善抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等抗氧化酶系统活性，同时降低作物对As的吸收和富集［9］。然而，NPs对植物As吸收的影响因NPs类型、植物种类、施用时间和施用方式而异［10］。因此，将NPs应用于农业生产中仍然需要对NPs的适宜性进行更多的试验论证。几项研究表明，金属氧化物纳米颗粒对作物不同组织中镉（Cd）的分布、生物利用度具有积极影响［9，11］，然而关于不同纳米颗粒对As胁迫的缓解作用鲜有涉及。基于此，本研究通过盆栽试验探索了不同As水平下施用不同纳米颗粒对水稻养分吸收、生理特性、砷累积及转运的影响。研究结果可为纳米颗粒运用于水稻的田间生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

试验于2022年6—9月在甘肃省兰州现代职业学院塑料大棚中进行。供试水稻品种为嘉优中科6号，将种子采用2%次氯酸钠浸泡10 min进行表面消毒之后采用流动蒸馏水清洗，将种子埋入灭菌泥炭藓中催芽，并在光照度为400 μmol/（m2·s）、昼/夜光照周期为16 h/8 h、昼/夜温度25 ℃/22 ℃、湿度为70%的温室中培养10 d。供试纳米颗粒分别为二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）、二氧化锰纳米颗粒（MnO2 NPs）以及二氧化钛纳米颗粒（TiO2 NPs），三者均购自上海美尔雅实业有限公司。试验所用外源As为三价亚砷酸钠（NaAsO2），购自国药集团化学试剂有限公司。试验所用化肥为水稻专用肥（N、P2O5、K2O含量分别为18%、9%、15%），购自甘肃省农资化肥有限责任公司。

供试土壤取自张掖市农业试验站试验基地（38°56′N，100°26′E）。土壤类型为棕壤，pH值7.83，表层土壤（0～20 cm）有效砷含量为 0.56 mg/kg，有机质含量为18.03 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为9.21%、2.28%、12.79%，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为68.68、24.92、102.06 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用完全随机设计，根据《中华人民共和国国家标准土壤环境质量标准》水田土壤As污染3级标准，As水平设置为0 mg/kg（As0）、10 mg/kg（As10）、30 mg/kg（As30）（以纯量计）3个水平，以模拟水稻土中没有、轻度、中度砷污染水平。上述每个As水平下均设置对照（CK）、单施二氧化硅纳米颗粒（SiO2）、单施二氧化钛纳米颗粒（TiO2）以及单施二氧化锰纳米颗粒（MnO2）4种措施，试验共12个处理组合方式，每个处理3次重复。纳米颗粒处理均以悬浮液形式施入，即将纳米粒子采用蒸馏水溶解并采用超声波（100 W，25 kHz）分散30 min制备为悬浮液，SiO2 NPs、TiO2 NPs、MnO2 NPs施入浓度均为40 mg/L。

采用圆形塑胶桶，每盆装土8 kg，将水稻专用肥与土壤提前混合均匀，将NaAsO2采用自来水旋转溶解淹没土壤并平衡1周，每盆栽种水稻2株。纳米粒子均采用根施和叶施2种方式施入，其中根施为移栽时根施入20 mL，叶施则为抽穗扬花期（移栽75 d）开始喷施，每次5 mL，连续3次，每次间隔 4 d。种植期间不定时加入蒸馏水，其他管理措施同水稻培育方法。试验培育期89 d。

1.3 指标测定分析

1.3.1 植株生物量、As含量测定 培育结束后选取长势均一的水稻植株，将水稻的根、茎、叶、穗分离，然后置于烘箱中105 ℃杀青0.5 h，65 ℃干燥至恒质量并称量。

采用全自动样品快速研磨仪（Jxfstprp-24，上海净信科技有限公司）研磨成细粉，4 ℃下储存在塑料自密封袋中以供进一步分析。称取水稻各部位样品0.50 g，采用硝酸和高氯酸混合物（5/1，体积比）消化各组织样品（根、茎、叶、穗），基于电感耦合等离子体发射光谱仪采用ICP-OES法（ICP3000，江苏天瑞仪器股份有限公司）测定植株组织As含量。

1.3.2 土壤As浓度测定 准确称取100.00 mg土壤样品，加入5 mL氯酸、浓硝酸、氢氟酸混合液（3/1/1，体积比），采用全自动石墨消解仪［Auto GDA-72，睿科集团（厦门）股份有限公司］在 125 ℃ 条件下连续消解2 h，将消解液转移至容量瓶中采用去离子水准确定容至50 mL，采用电感耦合等离子体发射光谱测定。

1.3.3 植株叶片抗氧化酶活性及光合特征测定 培养88 d（晴天）10：00使用便携式光合作用测量系统（LI-6400XT，Li-Cor Nebraska，美国）测定叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度和胞间CO2浓度（Ci）指标。叶室温度和光量子通量设置参考相关文献［12］所述。

丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法；水稻剑叶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活性分别采用上海酶联生物科技有限公司生产的试剂盒进行测定，其试剂盒号分别为ml503401、ml022784、ml095259。

1.3.4 植株养分元素含量测定 称取水稻样品500.00 mg，采用硝酸和高氯酸混合物（4/1，体积比）消化植物样品，冷却至室温后，消解液用超纯水定容至50 mL，采用0.22 μm滤膜过滤。使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）分析消化生物量中的钾（K）、磷（P）、钙（Ca）、硫（S）、镁（Mg）、铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）和锌（Zn）含量。

1.4 数据处理与统计分析

砷的生物富集系数（BCF）及转移系数（TF）的计算按照以下公式进行［13］：BCF=水稻植株As浓度/土壤As浓度；TF=水稻植株地上部As浓度/根系As浓度。

采用Microsoft Excel 2013進行数据整理，采用DPS 14.0进行方差检验及Duncan＇s新复极差分析（α=0.05），采用Origin 2021进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 纳米颗粒对砷胁迫下水稻生物量累积的影响

由图1可知，无论地上部还是根系水稻生物量中，任一As水平下，SiO2、TiO2、MnO2的纳米粒子均大于不施用处理（CK），表明金属氧化物纳米颗粒对水稻生长具有积极作用。水稻地上部生物量中，As0、As10水平下，各处理均整体表现为CK＜TiO2＜MnO2＜SiO2，与SiO2处理相比，As0、As10水平下各处理分别降低11.32%～31.79%、8.17%～38.18%，且MnO2、SiO2皆显著大于CK；在As30水平下各处理表现为CK＜SiO2＜TiO2＜MnO2，且与MnO2处理相比，CK、SiO2分别显著降低30.72%、22.38%。各处理水稻根系生物量趋势与地上部累积规律整体趋于一致，即与无As胁迫处理（As0）相比，As胁迫处理（As10、As30）生物量较低；此外，As胁迫处理下，与CK相比，相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）均在一定程度上提高了根系生物量，且As10水平下以SiO2处理较高，而As30水平下以MnO2处理最佳。

2.2 纳米颗粒对砷胁迫下水稻养分累积的影响

由图2-A可知，As胁迫降低了K、Mg、P、S、Ca含量，同一As胁迫水平下，相关纳米颗粒处理均整体促进了水稻对大、中量元素的吸收，但整体而言As胁迫、施用金属氧化物纳米颗粒对K、Mg含量影响较小，对P、S、Ca含量影响较大，且各处理的P、S、Ca含量趋势与生物量累积规律基本趋于一致，即随着环境中As浓度升高，其含量整体呈下降趋势，且在无或低As（As0、As10）胁迫条件下，各处理整体表现为CK＜TiO2、MnO2＜SiO2；而当As在较高浓度条件（As30）下，则整体表现为CK＜TiO2、SiO2＜MnO2。由图2-B可知，在CK中，随着环境As浓度升高，Zn、Mn、Fe、Cu含量均整体呈降低趋势；而施用纳米颗粒条件下，不同纳米颗粒、不同As水平下各处理的Zn、Mn、Fe、Cu含量规律亦存在差异。整体而言，在As0或As10水平下，整体以TiO2、SiO2处理的上述微量元素含量存在最大值，而在As30水平下，MnO2处理整体具有较大值。

2.3 纳米颗粒对砷胁迫下抗氧化酶系统的影响

由图3可知，随着As污染程度增加，各处理的丙二醛含量整体呈增加趋势，抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性呈先升高后降低趋势。其中在MDA含量中，As0水平下，CK处理MDA含量大于相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2），但处理间波动较小，各处理间均无显著差异；As10水平下，各处理表现为SiO2＜MnO2＜TiO2＜CK，其中TiO2、CK较SiO2处理分别显著提高53.09%、117.28%；As30水平下，亦以CK显著高于其他处理，各处理呈MnO2＜TiO2＜SiO2＜CK，且两两处理间均差异显著（图3-A）。由图3-B可知，SOD活性中，As0水平下，与CK处理相比，相关纳米颗粒处理增幅34.24%～48.13%；As10水平下，各处理整体呈CK＜TiO2＜MnO2

2.4 纳米颗粒对砷胁迫下水稻光合气体交换特性的影响

由图4-A可知，As胁迫及施用纳米颗粒对净光合作用（Pn）存在显著影响，且同一As水平的不同纳米颗粒处理存在明显差距。As0水平处理中，以SiO2处理Pn最大，但与相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）均无显著差异；As10水平下，各处理呈CK＜SiO2＜MnO2＜TiO2，其中TiO2、MnO2處理显著大于CK处理；As30水平下，各处理呈 CK＜SiO2＜TiO2＜MnO2，与CK相比，SiO2、TiO2、MnO2分别显著提高37.01%、39.28%、44.20%。各处理的胞间CO2浓度参数（Ci）规律与Pn基本一致（图4-B）。气孔导度（Gs）中，As0水平下，以MnO2处理最大，其较同一水平的其他处理增加11.01%～21.76%；As10水平下，亦以MnO2处理Gs最大，TiO2处理其次，两者无显著差异且皆显著大于CK、SiO2处理；As30水平下，各处理呈 CK＜TiO2＜SiO2＜MnO2，与CK相比，SiO2、MnO2分别显著提高36.76%、57.32%（图4-C）。各处理蒸腾速率（Tr）与Gs规律基本一致（图4-D）。

2.5 纳米颗粒对砷胁迫下As累积特性及土壤As浓度的影响

由图5-A可知，水稻各器官组织As浓度的大小顺序表现为根＞叶＞茎、穗，且随着土壤环境中As水平的增加各组织中As浓度随之增加，但各处理在不同组织间均无显著差异。由图5-B、图5-C可知，就组织As浓度而言，水稻各组织As浓度的大小顺序表现为根＞叶＞茎＞穗。10 mg/kg As水平下，与CK相比，相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）均显著降低了水稻各组织中的As浓度，均表现为TiO2>SiO2>MnO2，MnO2处理对水稻组织As吸收的降低效果最为显著，其他处理在As10和As30水平下的根、茎、叶、穗中较其分别显著提高38.10%～73.81%、72.73%～199.99%、70.59%～152.94%、50.00%～400.00%和28.40%～113.58%、52.38%～204.76%、23.68%～152.63%、28.57%～300.00%。由图5-D可知，随着环境中As水平的增加土壤As浓度随之增加，而在不同As水平下，不同试验处理的土壤As浓度表现不一。在As0水平中，各处理呈CK＜TiO2＜SiO2＜MnO2，但各处理间均无显著差异；在As10、As30水平中，各处理均呈MnO2＜SiO2＜TiO2＜CK，MnO2处理在As10、As30水平下较其他处理分别显著降低43.10%～75.80%、14.92%～60.77%。

2.6 纳米颗粒对砷胁迫下水稻As生物富集及转运的影响

由图6-A、图6-B可知，随着环境As胁迫水平提高，As生物富集系数随之提高，而As转运系数随之降低。相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）皆降低了BCF和TF值。与CK处理相比，As0水平下施用SiO2、TiO2、MnO2使BCF分别显著降低33.72%、38.93%和37.66%，As10水平下分别降低22.91%、12.35%和29.88%，As30水平下分别显著降低29.11%、26.50%和37.47%，其中MnO2处理BCF最低，As30水平下显著低于其他处理13.36%～59.91%。同样地，就转移系数而言，As0水平下施用SiO2、TiO2、MnO2使TF分别降低11.43%、4.43%和6.38%，As10水平下分别显著降低26.60%、20.67%和40.23%，As30水平下分别显著降低22.11%、11.84%和25.01%，其中MnO2处理TF最低，As30水平下其显著低于其他处理3.87%～33.36%。这些较低水平的BCF和TF表明，在减少As从土壤向水稻根系再向地上部转移方面，整体以MnO2纳米粒子的作用最强。

3 讨论

砷是典型的一级致癌重（类）金属物质，含As地表矿石的开采、工业冶炼以及化肥、农药等的使用均会造成土壤As污染［10，14］，目前土壤As浓度超标已成为制约农业安全生产的重要因素。生物质含量是植物生长发育及有机物质累积的直观表征，生物量越高表明植株生长发育较佳、生理代谢旺盛［15］。本研究中，任一As水平下，相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）均在一定程度上提高了水稻地上部和根系的生物累积量，表明纳米颗粒对水稻生长具有促进作用。然而在不同As水平下，不同纳米粒子表现存在差异，其中在As0、As10水平下以SiO2纳米粒子表现整体较优，而在As30水平下则以MnO2纳米粒子处理最佳。

As（Ⅲ）会改变质膜渗透性，与矿质养分竞争转运蛋白进入植物体，从而影响根系对养分的摄取并改变植物的养分利用状况［16］，直接或间接导致营养缺乏，抑制植物生长发育。本研究表明，随着土壤中的As浓度增加，水稻植株中P、S、Ca、Zn、Mn和Fe的浓度整体随之呈降低趋势（图2），进一步证实了As胁迫可影响矿质养分吸收。植物养分吸收的变化可能与抗氧化酶活性介导的As胁迫缓解有关。本研究中，相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）皆降低了水稻剑叶的MDA含量，增加了SOD、POD、CAT活性，从而反映TiO2、MnO2、SiO2处理可诱导抗氧化系统的防御。此外，本研究表明，与生物量累积现象相似，在无或低As水平处理（As0、As10）下SiO2处理的MDA含量更低，SOD、POD、CAT活性更高，而在较高水平（As30）下以MnO2处理存在极值。Si是植物生长发育的有益元素，之前的研究表明当处于重金属胁迫时，植物体内的Si可形成净负电荷的半纤维-Si基团以促进重金属截留于细胞壁及将重金属区室化于液泡中［17］，这可能是SiO2 NPs表现较优的原因。然而当As浓度较高时，植物自救系统主要依赖于谷胱甘肽代谢途径，Mn是酶、蛋白质基团的主要催化物质［18］。此外，Mn氧化物与As的转化、迁移密切相关，是影响土壤As形态和生物毒性的重要因子［19］，因此MnO2 NPs作用可能更为突出。

光合气体交换特征参数是光合作用强度、植物生理状态及叶片发育优劣的重要体现，光合气体交换特征较好，说明叶片生理代谢协调、光合进程顺利［20-21］。本研究中，光合气体交换特征参数的下降程度随As浓度的升高而呈整体降低趋势，在As胁迫下（As10、As30），净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及胞间CO2浓度降低；在所有光合指标中，MnO2处理整体具有较大值，表明MnO2纳米颗粒在促进叶片光合进程方面效果更佳。这可能是由于Mn是叶绿素合成及光合酶代谢所必需的催化物质［22］。同时进一步研究发现，各处理的Pn与Ci、Gs与Tr变化规律基本一致，且As胁迫下Ci与Tr同升同降，推测As胁迫造成生理代谢紊乱是导致Pn下降的主要因素［23］。此外，本研究发现，As胁迫处理整体降低了水稻的生物量（图1），这也可能与As严重影响叶片光系统导致光合活性下降有关。前人研究表明，胁迫环境中，植物发育迟缓与光合作用密切相关，在胁迫环境下植物倾向于把蛋白质转化为螯合物、渗透物质及相关抗氧化酶，从而用于叶片内囊体的物质分配减少、光合作用受阻、生物量降低［24］。

运用纳米材料缓解环境生物胁迫及治理土壤、水体重金属污染是近年来国内外研究的热点，然而目前运用纳米材料辅助作物修复重金属污染土壤以促进农业可持续发展的研究仍处于起步阶段［8，10，25］。本研究中，水稻各组织器官As浓度的分布大小顺序整体表现为根＞叶＞茎、穗，且随着As水平增加各组织As浓度随之提高。与CK处理相比，相关纳米颗粒处理（TiO2、MnO2、SiO2）皆可有效降低水稻各部位的As浓度，同时土壤As浓度亦降低。从试验数据上看，As胁迫处理（As10、As30）时，土壤、各组织As浓度均整体呈MnO2＜SiO2＜TiO2＜CK，其中As30水平下，MnO2处理土壤、根、茎、叶、穗分别显著降低14.92%～60.77%、28.40%～113.58%、52.38%～204.76%、23.68%～152.63%、28.57%～300.00%。此外，MnO2处理生物富集系数、转运系数亦最低，分别显著低于其他处理13.36%～59.91%、3.87%～33.36%。

4 结论

本研究结果表明，与无砷胁迫处理（As0）相比，砷胁迫（As10、As30）整体降低了水稻植株地上部和根系的生物量、光合气体交换参数（Pn、Ci、Gs、Tr），抑制了水稻养分吸收（K、P、S、Ca、Mg、Zn、Mn、Fe、Cu），提高了丙二醛（MDA）含量及抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT），但不同As水平下各处理间表现存在差异。无和低As胁迫水平（As0、As10）下，各处理整体表现为CK＜TiO2、MnO2＜SiO2，以SiO2纳米粒子表现整体较优；而在较高As胁迫处理（As30）下，各处理整体表现为CK＜TiO2、SiO2＜MnO2，以MnO2纳米粒子处理最佳。此外，在土壤、植株的As浓度、生物富集系数及转移系数中均以MnO2处理降幅最大，As30水平下其土壤、根、茎、叶、穗As浓度较其他处理分别显著降低14.92%～60.77%、28.40%～113.58%、52.38%～204.76%、23.68%～152.63%、28.57%～300.00%；而BCF、TF较其他处理分别显著降低13.36%～59.91%、3.87%～33.36%。研究结果为今后纳米材料运用于水稻安全生产提供了理论依据。

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收稿日期：2023-02-27

基金项目：甘肃省高等学校创新基金（编号：2022A-267）。

作者简介：苏瑞琴（1972—），女，甘肃定西人，副教授，主要从事农作物高产栽培技术、化学教育工作。E-mail：lxxd0930@163.com。