2021, Vol. 42
2. 航天凯天环保科技有限公司, 长沙 410100;
3. 湖南博惢巳环境科技有限公司, 长沙 410000
, HUANG Ya-yuan1 , LIU Xiao-yue2 , LI Bing-yu1 , LIU Yu-yi3 , LI Zhuo-qing1 , WANG Xin-qi1 , LEI Ming1
2. Aerospace Kaitian Environmental Technology Co., Ltd., Changsha 410100, China;
3. Hunan Breath Environment Technology Co., Ltd., Changsha 410000, China
镉(Cd)是一种全球性的剧毒环境污染物, 也是我国土壤污染的主要重金属之一, 文献[1]显示, 我国土壤Cd的点位超标率为7%.土壤中的Cd容易被农作物吸收和富集, 然后通过生物富集和生物放大威胁人类健康[2].水稻是富集Cd能力最强的谷类作物, 能高效富集酸性土壤中的Cd[3].近年来, 由稻米Cd污染造成的公众安全事件引起了人们对我国环境污染的关注, 如Cd大米事件[4].因此, 探讨如何降低稻米中Cd含量是当前的热点和难点问题, 对保障我国食品安全和农业生产具有重要意义.
叶面调控是文献[5]中推荐的重金属修复技术之一, 适用于Cd污染农田的修复.与土壤施肥相比, 叶面施肥可以避免土壤的物理或化学固定, 效果更直接[6].有研究表明, 通过叶面喷施硅[6]、锌[7]和锰[8]等有益元素, 可以提高作物抗逆性, 抑制作物根系向可食用部位转运Cd, 降低可食用部位Cd含量.近年来, 叶面应用型纳米材料在农业和粮食生产中受到了越来越多的关注, 粒径较小的纳米肥比常规肥料更容易穿透叶片, 被植物迅速、完全地吸收[9].如Chen等[9]的研究表明叶面喷施纳米硅肥可显著降低Cd胁迫下水稻糙米中的Cd含量.
锰(Mn)是植物生长发育所必需的营养元素, 在光合作用、呼吸作用及与蛋白质、碳水化合物合成等相关的酶的活化中起着关键作用[10].叶面Mn肥被广泛地应用到土壤重金属的修复中, 如在受Cd污染的土壤中生长的水稻上施用硫酸锰、螯合锰和碳酸锰叶面肥能降低糙米中的Cd含量[8, 11].此外, 先前的研究表明向土壤施用纳米MnO2可以限制土壤中的砷向水稻迁移[12, 13], 但据笔者所知几乎没有研究把纳米MnO2作叶面阻控剂使用.因此, 本研究使用水热法合成纳米MnO2材料, 并制成叶面喷雾在水稻抽穗初期喷施不同浓度的纳米MnO2, 旨在研究：①纳米MnO2对水稻生长的影响和Cd的分布; ②纳米MnO2减轻Cd毒性并减少其在水稻中积累的可能机制.
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验地点为湖南省长沙市长沙县北山镇石常村代印桥(E113°08′12″, N28°42′68″), 属亚热带季风气候区, 光热充足, 降水充沛, 年平均气温为17.6℃, 年平均降雨量约1 472.9 mm.试验田水稻种植前和成熟期表层土壤基本理化性质如表 1所示, 其中水稻种植前和成熟期土壤总Cd(分别为0.48 mg·kg-1、0.43 mg·kg-1)含量均超出GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中酸性土(pH≤5.5)的风险筛选值(0.3 mg·kg-1).
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表 1 水稻种植前和成熟期试验田土壤基本理化性质1) Table 1 Basic properties of topsoils at the beginning of the experiment and at the maturity stage of rice plants |
1.2 纳米MnO2的制备
根据课题组的研究经验, 通过水热法制备纳米MnO2[12, 13], 实验室制作纳米MnO2材料的成本约为1.2元·g-1.具体操作步骤如下：首先将0.341 5 g MnSO4·H2O和0.543 4 g K2S2O8加入到50 mL 50%的H2SO4溶液中, 在室温下用磁力搅拌器搅拌10 min, 形成均匀溶液后将溶液转移至100 mL的高压反应釜内衬中; 然后将高压反应釜置于电热鼓风干燥箱中, 在110℃下反应6 h后取出, 冷却至室温, 离心3次收集沉淀物质, 每次离心后除去上层清液, 并用超纯水洗涤产物直至pH为7;最后在真空干燥箱(DZF-6021, 上海飞越仪器有限公司)中60℃干燥8 h, 得到黑色纳米MnO2粉末备用.分别运用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其微观形态和结构进行表征, SEM图像和XRD图谱详见文献[12, 13].
1.3 试验设计2019年7~11月, 在长沙县北山镇某农田进行田间试验, 将农田划分为4 m×5 m的小区.在小区四周起垄并用塑料薄膜覆盖, 相邻小区间设30 cm宽的排水沟以避免各处理间相互影响.水稻种子(泰优390)由航天凯天环保科技有限公司提供, 6月22日育种, 7月24日移栽.田间管理措施与当地生产中的模式相同, 施用化学除草剂处理杂草.
2019年9月中旬, 水稻处于抽穗初期.分别称取2.0、6.0和10.0 g纳米MnO2粉末溶于2.0L含有1% Tween 80的去离子水中, 超声振荡30 min, 制成质量分数为0.1%、0.3%和0.5%的纳米MnO2悬浊液.在一个无风晴朗的早晨, 使用手持喷壶将3种浓度的纳米MnO2悬浊液均匀喷施在水稻叶片上, 保证水稻叶片挂满液滴.对照组喷施2.0L含有1% Tween 80的去离子水. 4种处理重复3次且随机分布, 共12个小区.
1.4 样品采集与分析 1.4.1 水稻叶片叶绿素和光合特征参数的测定叶绿素和光合参数均在田间现场测定.叶面喷施纳米MnO2一周后, 在每个小区随机挑选10片水稻功能叶, 使用便携式叶绿素测定仪(SPAD-502 Plus, Konica Minolta)测定水稻叶片叶绿素(SPAD值), 使用便携式植物光合作用测定仪(Li-6400, Li-Cor Biosciences)测定水稻叶片净光合作用率(net photosynthetic rate, Pn)、气孔导度(stomatal conductance, Gs)、胞间二氧化碳浓度(intercellular CO2 concentration, Ci)和蒸腾速率(transpiration rate, Tr).
1.4.2 水稻叶片脂质过氧化和抗氧化应激酶含量的测定叶面喷施纳米MnO2一周后, 在每个小区随机采集10片水稻功能叶, 用液氮保存运送到实验室后放入超低温冰箱保存待用.使用分光光度法测定水稻叶片丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[14, 15], 使用紫外分光光度计法测定水稻叶片中的过氧化氢酶(catalase, CAT)含量[16], 使用比色法测定水稻叶片中过氧化物酶(peroxidase, POD)含量[17], 使用分光光度法测定水稻叶片中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)的含量[18].
1.4.3 土壤样品在水稻种植前和水稻成熟期, 每个试验小区按五点取样法采集5个表层土(0 cm~20 cm)混合成一个样品.采集的土壤样品在室内阴凉处风干、去除杂质、用研钵研磨后分别过10、20和100目尼龙筛, 保存在塑封袋中备用.土壤基本理化性质参照鲁如坤[19]的方法测定, 土壤pH值采用水土比2.5:1浸提, 用pH计(Seven Compact S220, Mettler Toledo)测定; 有机质采用高温外热重铬酸钾滴定法测定; 阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定.土壤样品采用王水-HClO4湿法消解, 消解液采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES iptima 8300, Perkinelmer)测定Ca、Zn、Mn、Cd和Fe含量, 用土壤GB 07457进行质控, 回收率为88.6%~101.2%, 全程做空白试验.
1.4.4 植物样品在水稻成熟期, 每个试验小区按五点采样法采集5蔸水稻混合成一个样品, 用尼龙网袋装好, 再将剩余水稻收割、脱粒及称重.用去离子水洗净水稻样品, 将样品分为根、茎、叶和谷粒这4个部分, 将谷粒置于室外阳光下晒干, 取部分根放入冷冻干燥机(FD-1A-50, 北京博医康实验仪器有限公司)冻干备用, 其余部位放入电热鼓风干燥箱中, 105℃杀青2 h, 60℃烘干至恒重.用砻谷机分离谷壳和糙米, 用微型粉碎机将所有水稻部位粉碎后保存备用.
水稻根表铁锰胶膜采用DCB法浸提[20].植物样品采用HNO3-HClO4(体积比4:1)湿法消解, 浸提液和消解液采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES iptima 8300, Perkinelmer)测定Ca、Zn、Mn和Fe含量, 采用电感耦合等离子体质谱(NexION 300X ICP-MS，Perkinelmer)测定Cd含量, 用灌木枝叶GBW 07603和大米GBW 100348进行质控, 回收率分别为86.7%~102.4%和89.5%~100.9%, 全程做空白试验.
1.5 数据处理本试验所有数据用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理, 用SPSS 24.0软件进行统计分析, 用GraphPad Prism 8软件作图.使用单因素方差分析和LSD多重比较分析确定不同处理间差异, 其中P < 0.05表示具有统计学意义.通过双变量相关中的皮尔逊相关得到相关系数.
2 结果与分析 2.1 叶面喷施纳米MnO2对水稻产量的影响水稻成熟后收割水稻, 现场测定试验小区的谷粒重量.如图 1所示, 叶面喷施0.1%、0.3%和0.5%浓度的纳米MnO2后水稻产量分别为(14.40±1.21)、(14.48±1.06)和(14.54±1.45)kg·小区-1, 较对照小区产量(13.60±1.52)kg·小区-1分别增加5.8%、6.4%和6.7%, 但是增产效果不显著(P>0.05), 即喷施不同浓度的叶面纳米MnO2对水稻产量增加差异不显著(P>0.05).
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图中不同小写字母表示差异达到显著水平(P < 0.05), 下同 图 1 试验田水稻产量 Fig. 1 Rice yield in the experimental field |
如图 2所示, 叶面喷施0.1%、0.3%和0.5%浓度的纳米MnO2能显著增加水稻叶片中叶绿素含量(P>0.05), 与CK相比分别增加了7.30%、9.68%和13.07%.随着喷施浓度的增加, 水稻叶片叶绿素含量相应升高, 0.5%处理显著高于0.1%和0.3%处理.
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图 2 水稻叶片中叶绿素含量 Fig. 2 Chlorophyll content of rice leaves |
如图 3(a)所示, 与CK相比, 叶面喷施纳米MnO2对水稻叶片的Pn影响不一, 均未观察到显著性差异(P>0.05), 但0.5%处理和0.1%之间存在显著性差异(P < 0.05). 0.1%和0.3%处理能增加水稻叶片的Gs、Ci和Tr, 但与CK相比, 未观察到显著性差异[P>0.05, 图 3(b)~3(d)].与CK比, 0.5%处理能显著增加水稻叶片的Gs、Ci和Tr[P < 0.05, 图 3(b)~3(d)].因此, 叶面喷施纳米MnO2能增加水稻叶片的光合作用, 各处理浓度的效果依次为：0.5%>0.3%>0.1%.
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图 3 水稻叶片中Pn、Gs、Ci和Tr的含量 Fig. 3 Pn, Gs, Ci, and Tr content of rice leaves |
如图 4(a)所示, 叶面喷施纳米MnO2后水稻叶片中的MDA含量有不同程度降低, 与CK相比, 0.3%和0.5%处理后叶片中MDA含量显著降低(P < 0.05).叶面处理能增加水稻叶片中CAT、POD和SOD的含量, 与CK相比, 0.1%处理水稻叶片中3种酶含量均无显著性差异(P>0.05), 0.3%处理能显著增加水稻叶片POD和SOD含量(P < 0.05), 0.5%处理能显著增加水稻叶片中3种酶含量[P < 0.05, 图 4(b)~4(d)].综上所述, 叶面喷施纳米MnO2能缓解水稻叶片细胞的脂质过氧化, 提高抗氧化应激酶的含量.
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图 4 水稻叶片中MDA、CAT、POD和SOD的含量 Fig. 4 MDA, CAT, POD, and SOD content of rice leaves |
如图 5所示, Cd主要富集在水稻根茎部, 不同部位间Cd含量差异大, 不同处理下水稻各部位中Cd含量分布规律均为：根>茎>叶>壳>米.不同处理间水稻根、茎中Cd含量无显著性差异(P>0.05). 0.1%处理下水稻叶中Cd含量与CK相比差异不显著(P>0.05), 而0.3%和0.5%处理能显著降低水稻叶中Cd含量(P < 0.05).与CK相比, 0.1%和0.3%处理下水稻壳中Cd含量无显著性差异(P>0.05), 而0.5%处理能显著降低水稻壳中Cd含量(P < 0.05). 0.1%、0.3%和0.5%处理均能显著降低糙米中Cd含量(P < 0.05), 与CK相比, 分别降低了27.27%、36.37%和54.55%, 0.3%和0.5%处理糙米中Cd含量显著低于0.1%处理(P < 0.05).综上所述, 叶面喷施纳米MnO2能降低水稻叶、茎和糙米中的Cd含量, 不同处理降Cd的效果为：0.5%>0.3%>0.1%.
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图 5 水稻不同部位中Cd含量 Fig. 5 Cd content in different parts of rice under different treatments |
由表 2可知, Mn在水稻叶片中含量最高, 其次是茎, 在稻壳和根中含量相近, 糙米中最少.叶面处理能不同程度增加水稻根部的Mn含量, 其中0.3%和0.5%处理根部Mn含量与CK相比差异性显著(P < 0.05), 0.5%处理根部Mn含量显著高于0.3%处理(P < 0.05).与CK相比, 叶面处理均能显著增加水稻茎、叶中Mn含量(P < 0.05), 其中0.5%处理增Mn效果最好, 显著大于0.1%和0.3%处理(P < 0.05).叶面处理后稻壳和糙米中Mn含量显著高于CK(P < 0.05), 0.3%和0.5%处理稻壳和糙米中Mn含量显著高于0.1%处理.综上所述, 叶面喷施纳米MnO2能增加水稻各部位中Mn含量, 不同处理增Mn的效果为：0.5%>0.3%>0.1%.
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表 2 水稻不同部位中各元素含量1)/mg·kg-1 Table 2 Content of metal elements in different parts of rice/mg·kg-1 |
如表 2所示, Fe主要富集在水稻根部, 不同部位间Fe含量差异大, 不同处理下水稻各部位中Fe含量分布规律均为：根>茎>叶>壳>米.与CK相比, 叶面喷施纳米MnO2能显著增加水稻根中Fe含量(P < 0.05), 对水稻茎和壳中Fe含量影响不大(P < 0.05).叶面处理降低了水稻叶和糙米中的Fe含量, 与CK相比, 0.1%处理显著降低了糙米中Fe含量(P < 0.05), 0.3%和0.5%处理显著降低了水稻叶和糙米中的Fe含量(P < 0.05).
由表 2可知, 叶面喷施纳米MnO2对水稻各部位中Ca含量以及根、茎、稻壳和糙米中Zn含量影响不大(P>0.05).与CK相比, 0.3%和0.5%处理能显著降低水稻叶中Zn含量(P < 0.05).
2.7 叶面喷施纳米MnO2对水稻根表铁锰胶膜中各元素含量的影响本研究用DCB法提取根表铁锰胶膜, 测定浸提液中Cd、Mn、Fe、Ca和Zn的含量(表 3).与CK相比, 叶面喷施纳米MnO2后根表铁锰胶膜的Cd和Mn的含量显著增加(P < 0.05), 且随喷施浓度的增加呈现出显著性差异(P < 0.05).叶面处理后根表铁锰胶膜中铁含量略有增加(P>0.05).与CK相比, 0.3%和0.5%处理能显著提高根表铁锰胶膜中Ca和Zn的含量(P < 0.05).
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表 3 水稻根表铁锰胶膜中各元素含量1)/mg·kg-1 Table 3 Content of metal elements in iron-manganese plaque on the surfaces of rice plant roots/mg·kg-1 |
2.8 水稻不同部位Cd含量与其它元素含量的相关系数
水稻不同部位中Cd含量与被测元素(Mn、Fe、Ca和Zn)含量之间的相关系数不同(表 4).水稻根中Cd含量与其他元素无显著相关性(P>0.05), Mn含量与Fe含量呈极显著正相关(P < 0.01), Mn含量与Ca含量呈显著正相关(P < 0.05).水稻茎中各元素之间无显著相关性(P>0.05).水稻叶中Cd含量与Mn含量呈极显著负相关(P < 0.01), 与Fe含量呈极显著正相关(P < 0.01), Mn含量与Fe含量呈极显著负相关(P < 0.01), 与Zn含量呈显著负相关(P < 0.05), Fe含量与Zn含量呈显著正相关(p < 0.05).稻壳中Cd含量与Fe含量呈极显著正相关(P < 0.05).糙米中Cd含量与Mn含量呈极显著负相关(P < 0.01), 与Fe含量呈极显著正相关(P < 0.01), Mn含量与Fe含量呈极显著负相关(P < 0.01).
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表 4 水稻不同部位Cd、Mn、Fe、Ca和Zn含量的相关系数1) Table 4 Correlation coefficients between the Cd, Mn, Fe, Ca, and Zn content of different parts of rice plants |
3 讨论
叶面喷施Mn肥对作物产量的影响不一.有研究表明在缺Mn或低Mn活性的生长环境中, 叶面喷施Mn肥可以促进作物生长.如丁华萍等[21]在有效Mn含量为4.34mg·kg-1的土壤上, 往初花期花生叶面喷施0.2%的MnSO4, 显著提高了花生的鲜重(P < 0.05).然而, 在Mn充足或高Mn活性土壤中, 叶面施Mn并不能显著提高作物产量[22, 23].本研究表明, 不同浓度纳米MnO2的叶面施用对水稻的产量影响不显著(P < 0.05, 图 1), 这可能是由于试验土壤中的Mn含量远高于酸性土壤缺锰的临界值(10mg·kg-1), 因此叶面喷施纳米MnO2对水稻产量没有显著影响.
在本研究中, 叶面喷施纳米MnO2降低了水稻叶、壳和糙米中的Cd含量, 对水稻根和茎影响不大(图 4).彭鸥等[24]的研究表明, 水稻(湘晚籼13号)不同生育期镉积累速率依次为：分蘖期≈乳熟期>抽穗期>孕穗期>灌浆期.因此可能是在水稻生长前期(分蘖期和抽穗期)根和茎中富集了较多的Cd, 造成了叶面喷施纳米MnO2后水稻根和茎中Cd含量变化不大.叶面施用纳米MnO2后水稻叶、壳和糙米中Cd含量下降的原因可部分归因于水稻这些部位中Mn浓度的增加(表 2), 因为两种金属的拮抗效应[25], 水稻叶片Mn的增加可能抑制了Cd从水稻根茎向叶的转移.作为一种非必需金属元素, 至今未发现Cd在水稻中有专属的转运体[26], Cd通常通过Ca、Fe、Mn和Zn等必需阳离子的传输系统来吸收和转运[25].许多转运体通常能运输一种以上的金属离子, 如OsYSL2可以运输Mn和Fe[27], OsNRAMP1可以运输Fe和Cd[28], OsZNT1可以运输Zn和Cd[29].因此, 这些金属会相互竞争转运体上的金属结合位点, 一种金属的大量存在会干扰其他金属的吸收.在这种情况下, 水稻地上部分中Mn与Cd、Fe和Zn的吸收和积累呈负相关也就不足为奇了(表 4).徐莜等[26]的研究也发现水稻细胞壁和细胞液组分中的Cd与Mn呈负相关, 随着外源Mn的添加, 水稻根系吸收Cd的量减少.由于水稻可以通过相同的转运体吸收和转运Cd和Mn, 如OsNramp5[30].假设提高水稻叶片的Mn含量可以抑制水稻体内Mn转运体的表达, 减少Cd的非特异性吸收和转运, 事实证明, 随着叶面喷施纳米MnO2的浓度增加, 水稻地上各部位的Cd含量降低(图 5), Cd和Mn含量呈负相关(表 4).因此, Mn一方面与Cd竞争转运蛋白上的结合位点, 抑制Cd的跨膜转运, 另一方面能够调控这些转运蛋白基因的表达与合成.
叶面喷施纳米MnO2后, 水稻不同部位的Mn含量大幅上升(表 2).一方面由于叶面喷施的纳米MnO2通过叶片角质层或者气孔进入水稻叶, 随后通过韧皮部和木质部向其他部位转运[31]; 另外一方面, 在喷施过程中, 可能有部分纳米MnO2滴落到土壤中, 造成土壤中Mn含量的增加(表 1).
高等植物的光合作用等生理过程对Cd非常敏感, 以前的研究表明, 低Cd浓度显著抑制水稻的生长和光合作用[32]. Cd对水稻的毒性体现在破坏光合器官, 降低叶绿素含量, 抑制气孔开放等方面[2].在Cd胁迫下, 水稻的叶绿素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)和光合特征参数(Pn、Gs、Ci和Tr)降低[33].本研究中, 水稻叶片中Cd含量与叶片光合特征参数Pn、Gs、Ci和Tr呈负相关, 这与之前报道的Cd抑制植物光合作用的研究一致[32]. Mn是植物细胞中维持叶绿体结构的关键元素之一, 在植物光合作用中也起着关键作用, 包括与光系统Ⅱ相关的水分解系统、ATP合成、RuBP羧化酶反应以及脂肪酸, 酰基脂质和蛋白质的生物合成[8, 34].有研究表明, 叶面喷施Mn肥能提高小麦[22]和生菜[23]叶片的叶绿素含量及光合作用能力.在本研究中, 叶面喷施不同浓度的纳米MnO2显著提高了水稻叶片的叶绿素含量(P < 0.05, 图 2), 改善了叶片的光合作用能力(图 3).因此, 叶面喷施纳米MnO2可能通过缓解Cd对水稻光合作用的抑制, 提高叶片光合作用效果, 从而缓解Cd胁迫.
水稻叶面喷施纳米MnO2减轻Cd毒性的另一保护机制是通过消除Cd引起的自由基诱导的损伤. Chien等[35]的研究指出, Cd对水稻叶片的毒性是通过脂质过氧化作用介导的. MDA是脂质过氧化的产物, 通常被认为是细胞氧化受损的重要指标. Cd胁迫下, 水稻幼苗中MDA含量升高[35].有研究表明, Mn降低了植物细胞质膜的渗透性和膜脂的过氧化, 有助于保持细胞膜的完整性、稳定性和功能[36].本试验中, 叶面喷施MnO2后降低了水稻叶片中MDA的积累[图 4(a)], 表明Mn在Cd诱导的脂质过氧化中具有保护作用.过量的活性氧积累会导致细胞氧化还原失衡和信号传导过程的紊乱, 从而导致生长抑制和细胞损伤[37]. CAT、POD和SOD是植物体内重要的抗氧化酶, CAT和POD参与细胞中H2O2分解的酶, SOD活性的变化被用来指示超氧化物产量变化.研究表明, Mn在植物抗氧化防御系统中起着重要的辅助作用, 如Mn-CAT和Mn-SOD[38].在本试验中, 叶面喷施MnO2后提高了CAT、POD、SOD的含量[图 4(b)~4(d)], 因此, 水稻叶片中较高水平的抗氧化酶活性可以清除Cd诱导的过量活性氧, 避免氧化损伤.
由于水稻生长在特殊的淹水环境, 其根系释放的氧气和氧化剂会把周围的Fe2+和Mn2+离子氧化为铁锰氧化(氢氧化)沉淀物, 在根部形成一层铁锰胶膜[19].以往的研究表明, 铁锰胶膜对痕量金属有很强的亲和力, 可以通过吸附或共沉淀作用, 限制了根系对许多重金属的吸收[39].在本试验中, 叶面喷施纳米MnO2显著增加了根表铁锰胶膜中Mn含量(P < 0.05), 对Fe的含量影响不显著(P>0.05, 表 3), 这与董明芳等[40]的报道一致.他们采用水培试验, 发现了添加Mn2+能增加水稻根表铁锰胶膜中Mn的含量, 抑制Cd向地上部分的运输.尽管在根表铁锰胶膜中Mn的含量远远小于Fe(表 3), 但是由于锰膜比铁膜具有更大的表面活性和催化能力, 因此, 锰膜在对某些金属的吸附和富集中发挥了重要的作用[41].在本研究中, 叶面喷施纳米MnO2后根表铁锰胶膜中的Cd含量显著升高(表 3), 而且根表铁膜中Cd含量与Fe和Mn的含量呈显著正相关(P < 0.05), 表明铁锰胶膜能固定Cd, 限制Cd往根部转移.因此, 叶面喷施纳米MnO2可以通过增加根表铁锰胶膜的含量及其对Cd的吸附/共沉淀作用限制水稻根系吸收Cd.
纳米材料具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等独特的物理化学特性, 更容易与有机体作用而产生细胞或组织损伤, 因此也引起了人们对纳米材料的生物效应、环境和生物健康的影响问题的探讨[42~44].纳米材料对植物的毒性效应可能是植物和纳米颗粒自身理化特性(尺寸、化学成分、表面功能)综合影响的结果[42, 43].杨新萍等[44]指出, 不是所有用纳米物质处理的植物都会表现出毒性效应, 而是植物可能会产生积极影响或者没有显著毒性效应.本试验中, 在水稻抽穗前期叶面喷施不同浓度的纳米MnO2后, 降低了水稻叶片中MDA的积累, 提高了CAT、POD和SOD的含量(图 4), 并且叶面处理后各小区水稻产量有所增加(P>0.05, 图 1).这些证据表明, 在本试验中叶面喷施纳米MnO2在微观和宏观层面上均未对试验水稻产生毒性效应.这可能是由于试验所用的纳米MnO2的粒径较大(图 2), 易造成生物毒性的物理化学特性不明显; 此外, 施用纳米MnO2时水稻处于抽穗期, 生物量较大, 生长活动比较旺盛, 所以叶面喷施纳米MnO2未对试验水稻产生毒性效应.但是不排除更大剂量, 其他施用时间或者其他水稻品种叶面喷施纳米MnO2会产生毒性效应, 这值得继续研究.
4 结论(1) 本研究结果表明抽穗期叶面喷施不同浓度的纳米MnO2能使水稻叶、壳和糙米中的Cd含量降低, 所有部位的Mn含量升高.
(2) 叶面喷施纳米MnO2为水稻提供了大量的Mn源, Mn一方面与Cd竞争转运蛋白上的结合位点, 抑制Cd的跨膜转运, 另一方面能够调控这些转运蛋白基因的表达与合成.
(3) 叶面喷施纳米MnO2可能通过缓解Cd对水稻叶片光合作用的抑制和叶片脂质过氧化, 提高叶片光合作用效果和叶片氧化应激酶含量, 清除叶片中Cd诱导的过量自由基, 从而缓解Cd胁迫.
(4) 叶面喷施纳米MnO2可以通过增加根表铁锰胶膜的含量及其对Cd的吸附/共沉淀作用限制水稻根系吸收Cd.
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