納米二氧化鈦對鎘脅迫下小白菜毒性效應的影響

王苗苗，強瀝文*，王 偉，張克強，孫斌斌

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.南開大學環境科學與工程學院，天津 300071）

二氧化鈦納米顆粒（TiO2NPs）具有納米尺度效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、光催化效應以及吸收紫外線能力強等特點，其被廣泛應用于各個領域，預計到2025年，TiO2NPs年產量將達到2.5×106t[1-4]。TiO2NPs的高產量和廣泛應用，將使其不可避免地通過各種途徑進入環境。在中國、瑞士和美國等地區均檢測到TiO2NPs的存在，環境濃度可達每升幾百微克[5-7]。目前，關于TiO2NPs生物毒性的研究已取得一定進展，但多限于單一TiO2NPs在實驗室條件下的毒性作用。已證實TiO2NPs對微生物、藻類、植物、無脊椎動物、哺乳動物以及魚類均會產生毒性效應[8]。但TiO2NPs對農作物的毒性研究較少。Asli等[9]研究表明，TiO2NPs降低了玉米根系運輸水分和營養的能力，抑制了葉片的蒸騰作用和生長。TiO2NPs處理的豌豆和玉米，發芽延遲、根長變短[10]。TiO2NPs還可以誘導活性氧（ROS）產生，引起氧化脅迫，導致植物的基因毒性和DNA損傷[11-12]。也有研究表明TiO2NPs促進了菠菜的光合作用[13]。

實際環境中，TiO2NPs通常與傳統污染物共存并發生相互作用。TiO2NPs相對于宏觀顆粒物具有更大的比表面積、特殊的表面化學性質以及團聚微孔結構等特性[14]，并且TiO2NPs常作為吸附劑來處理水環境中的傳統污染物，如重金屬、有機污染物，因此當TiO2NPs在環境中與污染物共存時，很可能成為污染物的載體[15]。一方面可能會使環境中污染物濃度降低，達到“消減”的效果，但另一方面也可能導致污染物在納米材料上“富集”，從而改變自身及環境中傳統污染物的遷移轉化行為，影響污染物在生物體內的生物有效性和毒性效應[16-17]。鎘（Cd）因其移動性強、毒性高等特點成為我國農田環境中污染最嚴重的重金屬[18]。TiO2NPs可通過大氣沉降、污水灌溉、廢棄物填埋、地表徑流、污泥農用、施肥、納米產品使用等途徑進入農田環境[19]。TiO2NPs的使用和廢棄量逐年增加，進入我國農業環境中的TiO2NPs將越來越多，使環境中TiO2NPs和重金屬共存的可能性增大。因此，以TiO2NPs為典型代表的納米材料將影響重金屬Cd在農業生態系統中的環境行為和生態效應。

重金屬和納米材料相互作用的研究尚處于起步階段。TiO2NPs對Cd生物毒性影響的研究十分有限，且受試生物多為藻類、大型蚤和雙殼類動物。研究表明，TiO2NPs可降低水體中自由態Cd，抑制Cd對藻類的生物有效性和毒性[20-21]。TiO2NPs可增加Cd攝入量，進而顯著增強其對大型蚤的生物毒性[22-23]。然而，在海洋和淡水雙殼類生物體內，TiO2NPs對Cd的富集及毒性效應影響并不顯著[24-25]。Yang等[15]以四膜蟲為研究對象，發現TiO2NPs可攜帶Cd直接進入四膜蟲細胞內；在魚體內TiO2NPs可顯著促進Cd的生物富集量[26]，但會抑制Cd的基因毒性[27]。目前，關于TiO2NPs對植物尤其是農作物吸收積累Cd的研究較少。有限的研究表明，在蘿卜中TiO2NPs對Cd的植物毒性沒有顯著影響[28]；而在大豆中TiO2NPs增加了Cd的吸收量，但降低了Cd的脅迫[29]。近期有學者通過水培的方式發現TiO2NPs降低了水稻苗中Cd的毒性，但植株體內的Ti含量顯著增加[30]。這些研究表明TiO2NPs在不同農作物體內的生物效應不同，不同的作物培養方式也可能會使研究結果產生差異。因此，研究農作物中納米顆粒和共存重金屬的復合生物效應對維護生態系統和食品安全具有重要意義。

小白菜作為世界上廣泛食用和種植的綠葉蔬菜之一，具有更易從土壤中吸收Cd并轉移到可食部位的能力[31]。目前，關于TiO2NPs存在下Cd對小白菜毒性效應變化的影響還未見報道。因此，本文研究了TiO2NPs存在下Cd對小白菜葉綠素、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、生物富集及超微結構的影響，以探討TiO2NPs對Cd脅迫下小白菜毒性效應影響機制。研究結果將為更全面地評估納米顆粒的潛在環境風險提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 TiO2 NPs懸浮液分散行為分析

供試TiO2NPs（純度＞99.0%）購自北京伊諾凱科技有限公司，JEM-200CX透射電鏡（TEM）觀察顯示，TiO2NPs為銳鈦礦型，粒徑約為30 nm（圖1）。TiO2NPs儲備液每次實驗前現配現用。為避免團聚，保證混合均勻，實驗前冰浴超聲（600 W、40 kHz）40 min，慢速磁力攪拌2 h（150 r·min-1），以保證充分分散。采用Hoagland營養液將其配制成實驗濃度的TiO2NPs懸浮液以及TiO2NPs與Cd的混合溶液，Hoagland營養液配方[32]：Ca（NO3）2·4H2O 945 mg·L-1，KNO3607 mg·L-1，NH4H2PO4115 mg·L-1，MgSO4·7H2O 493 mg·L-1，H3BO32.86 mg· L-1，MnCl2· 4H2O 1.81 mg· L-1，ZnSO4·7H2O 0.22 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.08 mg·L-1，（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.02 mg·L-1，FeSO4·7H2O 27.85 mg·L-1，Na2-EDTA 37.25 mg·L-1。

采用動態光散射（DLS）分析方法，用馬爾文激光粒度儀ZS90測定TiO2NPs的水合粒徑（Dh）、聚合物多分散性指數（PDI）和Zeta電位。

1.2 小白菜幼苗培養與處理

圖1 TiO2 NPs透射電鏡圖（A×10 000倍）和晶型表征（B）Figure 1 TEM image（A×10 000 times）and XRDcrystal form（B）of TiO2 NPs

選取籽粒飽滿的小白菜種子，用5%的次氯酸鈉（NaClO）進行表面消毒10 min，去離子水清洗后放置于恒溫培養箱中避光催芽48 h，發芽后將其播種于裝有石英砂∶蛭石=2∶1（體積比）混合基質的96孔育苗板中，待小白菜出苗后，用1/4 Hoagland營養液（pH 6.8）澆灌，濕度約保持在60%田間持水量。待小白菜幼苗長到兩葉一心期時，選取長勢良好、大小一致的小白菜幼苗移入裝有營養液的培養瓶中預培養3 d，待生長良好、未出現任何不良癥狀后開始進行CdCl2和TiO2NPs脅迫。本實驗設置4個處理組：（1）CK，空白對照組；（2）C10，僅采用 Cd染毒，處理濃度為 10 mg·L-1；（3）T20，僅采用TiO2NPs染毒，處理濃度為20 mg·L-1；（4）C10T20，采用Cd和TiO2NPs共同染毒，其中Cd處理濃度為10 mg·L-1，TiO2NPs處理濃度為20 mg·L-1。每個處理設置3個重復，實驗周期為15 d，每3 d更換1次營養液，每隔24 h將培養瓶放置于磁力攪拌器上攪拌10 min（50 r·min-1），避免TiO2NPs團聚沉淀。整個試驗在模擬自然環境的人工氣候培養室進行，人工氣候室條件：28℃/22℃（晝/夜）、相對濕度75%、光照強度 200 μmol·m-2·s-1，光周期 14 h/10 h（晝/夜）。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生物量的測定

暴露15 d后，將小白菜取出，蒸餾水沖洗去除植物表面殘留物，將根和地上部分離，用直尺分別測量其株高和根長；然后置于烘箱105℃殺青30 min，70℃烘至恒質量，用分析天平稱量其干質量。

1.3.2 超微結構

根據Cai等[33]研究方法，將樣品用2.5%戊二醛初步固定，然后在1%四氧化二鋨中固定1 h。隨后在30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%的乙醇中脫水，每個濃度下脫水20 min，并嵌入環氧樹脂，使用超顯微切片機將樣品切片至約70 nm厚，用1%的乙酸鈾檸檬酸鹽染色，將樣品置于銅基網格上，用TEM觀察。透射電鏡結合能量色散X射線能譜儀（TEMEDS）測定植物細胞中選定區域的電子致密顆粒的元素組成。

1.3.3 抗氧化酶活性、脂質過氧化和葉綠素含量測定

取新鮮的根、葉組織在液氮中均勻化成細粉，0.1 g均質組織樣品與1 mL磷酸緩沖液（PBS，pH 7.4，其成分主要為Na2HPO4和NaH2PO4）渦旋混合5 min（200 r·min-1），使植物樣品勻漿充分。混合樣品離心20 min（4 ℃、3 000 r·min-1），收集上清液[34]。酶聯免疫分析（ELISA）試劑盒測定CAT、POD、SOD活性和MDA含量。

采用SPAD-502葉綠素儀測定小白菜葉片組織中葉綠素含量[35]。

1.3.4 Cd、Ti的積累與轉運

依據Ji等[30]的方法，將0.2 g干組織樣品與1 mL濃硝酸（HNO3）和2 mL氫氟酸（HF）混合，在210℃下消解30 min后取出，置于電熱板上繼續加熱趕酸至剩余1 mL，冷卻后用去離子水將其定容至25 mL，通過電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定小白菜地上部和根系中Ti和Cd的含量。

1.4 數據處理

采用SPSS20.0軟件進行數據統計和單因素方差分析，結果表示為平均值±標準偏差，經鄧肯多重比較檢驗對試驗數據進行差異顯著性分析。利用Ori?gin 9.4對數據進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 TiO2 NPs懸浮液的分散行為

由表1可知，TiO2NPs溶于營養液后Dh增加為336.67 nm，這主要因為營養液中的金屬離子使TiO2NPs發生了團聚。Cd的加入使得TiO2NPs的穩定性進一步降低。

PDI值體現了納米粒徑的不均一程度，其范圍為0～1。表1顯示，無論是否加入Cd，TiO2NPs樣品的PDI值均在0.1～0.6之間，說明TiO2NPs樣品具有一定的不均一性。TiO2NPs在營養液中雖然可能形成較大的聚集體，但其結合形式較為松散，且團聚體邊緣處依舊存在許多納米尺度的粒子，因此，這些粒子依舊可能對生物體產生納米尺度的效應。

表1 TiO2 NPs在營養液中的水合粒徑和Zeta電位Table 1 Hydrodynamic diameter（D h）and Zeta potential of TiO2 NPs in Hoagland solution

Zeta電位是一個表征分散體系穩定性的重要指標。當Zeta電位的絕對值大于30 mV時為穩定體系。由表1可知，營養液作為分散介質的體系，其中單一TiO2NPs、TiO2NPs與Cd混合液的Zeta電位的絕對值均小于30，說明該體系穩定性較差，易團聚產生沉淀。

2.2 TiO2 NPs對Cd脅迫下小白菜生物量的影響

株高、根長、干質量是衡量小白菜幼苗生長的重要指標。由表2可知，與CK相比，C10、C10T20處理組中小白菜的根長、株高、地上部和根部干質量均顯著降低（P＜0.05），C10T20較C10組小白菜的株高、根長、地上部干質量和根部干質量分別降低了5.31%、15.56%、30.23%和25.00%。從小白菜的生長狀態（圖2）可以看出，TiO2NPs對小白菜幼苗的生長無明顯毒害。C10組植株矮小，葉片黃化，根長變短。C10T20組與C10組相比，葉片黃化嚴重，葉片數減少，植株長勢更差。

2.3 TiO2 NPs對小白菜幼苗中Cd、Ti富集和轉運的影響

圖2 TiO2 NPs和Cd對小白菜生長的影響Figure 2 Effects of TiO2 NPs and Cd on growth of Chinese cabbage seedlings

表2 TiO2 NPs和Cd對小白菜生物量的影響Table 2 Effect of TiO2 NPs and Cd on the biomass of Chinese cabbage seedlings

圖3A和圖3B表明，與CK相比，C10、C10T20組的Cd含量顯著增加（P＜0.05）。與C10組相比，C10T20組中小白菜根部、地上部Cd含量分別增加了64.86%和58.30%，表明TiO2NPs增加了根部對Cd的吸收。根部總Cd含量顯著大于地上部，表明Cd主要在小白菜幼苗根部積累，只有少量轉運到地上部。C10組小白菜的TF為0.27，加入TiO2NPs后TF為0.26，說明TiO2NPs的存在雖然顯著促進了Cd在小白菜根部和地上部的富集，但并沒有改變Cd由根部向地上部的轉運。由圖3C和圖3D可知，TiO2NPs可以進入小白菜的根部并轉運至地上部。與T20組相比，C10T20組小白菜地上部Ti含量顯著增加了72.11%，根部Ti含量顯著增加了55.46%（P＜0.05），說明TiO2NPs促進Cd在小白菜體內的富集，Cd也促進了Ti在小白菜體內的積累。TiO2NPs在小白菜體內的轉運系數很低，T20組為0.015，C10T20組為0.017，說明僅有少量的TiO2NPs轉運到地上部。

2.4 TiO2 NPs對Cd脅迫下小白菜生理指標的影響

2.4.1 MDA含量

由圖4可知，與CK組相比，T20組葉片和根系MDA含量分別顯著增加了19.43%和19.03%（P＜0.05），表明TiO2NPs可誘導ROS產生，導致脂質過氧化。C10組較CK組小白菜幼苗葉片MDA含量顯著增加了69.59%（P＜0.05）。C10T20組較C10組葉片中MDA含量顯著增加了14.89%（P＜0.05）。小白菜根系中MDA含量的變化趨勢與葉片相同，即加入TiO2NPs后MDA含量較C10處理顯著增加了32.09%（P＜0.05），說明TiO2NPs明顯增加了Cd對小白菜幼苗的脂質過氧化和細胞膜的損傷。

2.4.2 抗氧化酶活性

Cd脅迫導致小白菜幼苗葉片抗氧化防御能力發生顯著變化。圖5A表明，與CK組相比，C10組小白菜葉片的SOD活性顯著降低了6.69%（P＜0.05）；T20組小白菜葉片的SOD活性顯著增加了12.23%，SOD活性的增加能夠清除TiO2NPs脅迫產生的ROS，對小白菜幼苗具有保護作用。C10T20與C10相比，葉片SOD活性降低了9.70%。C10脅迫下小白菜幼苗CAT變化趨勢與SOD一致（圖5B），C10T20處理下CAT活性較C10處理顯著降低了34.82%（P＜0.05）。C10組對POD活性的影響不同于SOD和CAT（圖5C），其活性與CK相比沒有顯著性差異，表明C10處理下POD為清除植物體內ROS的主要酶。但加入TiO2NPs后，小白菜葉片POD活性顯著降低了12.91%（P＜0.05）。說明TiO2NPs能激活小白菜的抗氧化防御體系，抵抗ROS產生的氧化應激；但與Cd共存時并未緩解Cd對小白菜的氧化脅迫，抗氧化防御能力減弱，對小白菜產生氧化損傷。

圖3 TiO2 NPs和Cd對小白菜幼苗Cd、Ti含量的影響Figure 3 Effects of TiO2 NPs and Cd on Cd and Ticontent of Chinese cabbage seedlings

2.4.3 葉綠素含量

由圖5D可知，C10、C10T20組的葉綠素含量比CK組均顯著下降（P＜0.05），說明Cd脅迫下，小白菜幼苗光合作用受到抑制，植株正常生長受阻，這與生長過程中小白菜葉片黃化的癥狀一致。C10T20組與C10組相比，葉綠素含量顯著降低了14.88%（P＜0.05）。由此說明TiO2NPs加強了Cd對小白菜幼苗光合色素合成的抑制作用，進一步降低了光合作用速率，最終導致小白菜生長受阻更加嚴重。

圖4 TiO2 NPs和Cd對小白菜幼苗MDA含量的影響Figure 4 Effects of TiO2 NPs and Cd on MDA content of Chinese cabbage seedlings

2.5 小白菜根、葉細胞的超微結構

圖5 TiO2 NPs和Cd對小白菜葉片中SOD、CAT、POD活性和葉綠素含量的影響Figure 5 Effects of TiO2 NPs and Cd on SOD，CAT，and PODactivity and chlorophyll content in the leaves of Chinese cabbage seedlings

圖6 TiO2 NPs和Cd對小白菜根系、葉片超微結構的影響Figure 6 TEMimages of Chinese cabbage and EDSspectra

采用TEM觀察了小白菜根細胞和葉細胞的超微結構（圖6）。CK組細胞質壁結合較緊密，光滑的細胞膜緊貼于連續的細胞壁上，葉綠體呈橢圓形或梭形，基質中的類囊體和基粒片層整齊有序地沿葉綠體長軸方向平行排列，葉綠體內還分布著大小不一的白色淀粉粒和少量隨機分布的嗜鋨顆粒。此外，有完整的核結構，核質均勻，核仁清晰可見（圖6A和圖6G）。T20組發生輕微質壁分離，葉綠體上的淀粉顆粒增大（圖6B和圖6H）。圖6D和圖6J顯示，C10組出現質壁分離，葉綠體與細胞壁分離，嗜鋨顆粒數量明顯增加，基粒片層和基粒類囊體失去原有的秩序而發生紊亂，液泡內陷和脫離，胞質組織差，顯示多泡體。C10T20組植物細胞遭受更嚴重的破壞，包括細胞壁的破壞和光合裝置的解體（圖6E和圖6K），顯示細胞壁折疊、內陷，相較于C10組，細胞壁損傷更嚴重，質壁分離也較明顯；葉綠體出現明顯損傷，橢圓葉綠體變圓，雙層膜模糊，類囊體結構被破壞，結構不完整，內部基粒片層結構紊亂，殘存的基粒和基質類囊體更加腫脹、疏松。因此，當TiO2NPs和Cd共存時，小白菜細胞結構的損傷比單獨Cd處理更加嚴重。

此外，與CK組和C10組相比，T20和C10T20組根系中存在明顯的TiO2NPs團聚體，粒徑范圍為0.2～2.0μm（圖6B和圖6E）。根系的細胞質中顯示（圖6C和圖6F），與T20組相比，C10T20組出現大量TiO2NPs沉積，這與前文中Cd促進TiO2NPs在小白菜體內的富集相一致。根系和葉片的TiO2NPs團聚體中檢測到了Cd元素（圖6F和圖6L）。因此，TiO2NPs能進入植物根細胞，并作為Cd的載體，將Cd攜帶進入植物根系，并轉運到葉片。

3 討論

Cd對植物生長最直觀的毒害是植株矮小、發育遲緩、萎蔫枯黃[36]。本研究中Cd脅迫下小白菜表現出明顯的毒害癥狀，葉片黃化，根長、株高、干質量均顯著低于CK組（P＜0.05）。TiO2NPs脅迫降低了小白菜的干質量，但生長過程中無明顯毒害癥狀。TiO2NPs的存在顯著增加Cd對小白菜葉綠素含量、膜脂過氧化、細胞結構、抗氧化酶活性等生理參數的毒性。

TEM-EDS證實了小白菜幼苗對TiO2NPs的吸收和轉運。TiO2NPs或其聚集物穿過根細胞膜進入細胞質（圖6B和圖6E），表明植物根系中存在一種共質體途徑。小白菜根細胞和葉細胞中分別檢測到52.73%和44.3%的Ti（圖6C和圖6I），證實內化的TiO2NPs被小白菜根系直接吸收，然后運輸到葉片。前期研究表明粒徑小于植物細胞壁孔徑（一般為5～20 nm）的TiO2NPs能進入細胞，例如水稻、小麥、油菜[37-39]。DLS結果顯示TiO2NPs團聚體的Dh顯著大于根細胞壁的孔徑，因此TiO2NPs直接穿過細胞壁進入小白菜體內的可能性較小。粒徑顯著大于植物細胞壁孔徑的納米顆粒的內化機制尚不清楚。一種可能的原因是納米顆粒能引起細胞壁上新孔形成和孔徑增加，使更大粒徑的納米顆粒也通過細胞壁[40]。植物細胞壁是由纖維素和果膠交結形成的三維網絡結構。植物根系受到脅迫時產生的ROS會造成果膠減少，并且ROS中的羥基自由基會導致細胞壁中木葡聚糖鏈的斷裂，從而導致細胞壁疏松，氣孔增大[41]。另一項研究發現植物根系分泌復合物中的醋酸、檸檬酸、蘋果酸和琥珀酸等物質能改變納米顆粒在水中的性質和存在狀態[42]。Lin等[43]研究氧化鋅納米顆粒（ZnONPs）對黑麥草產生毒性的作用機制時發現，植物根系滲出液與周圍的納米顆粒團聚體作用而導致團聚體的粒徑變小。另一種可能是由于植物根的損傷。暴露于二氧化鈰納米顆粒（CeO2NPs）的小麥根系中，高Ce區域周圍有明顯的鉀電解質泄漏，這是細胞破裂或損傷的一般指標，表明CeO2NPs是通過根系損傷而不是典型的吸收途徑被吸收的[44]。通過根系斷裂和典型的吸收途徑進入植物根系的納米顆粒的相對重要性尚不清楚，并且可能因生長條件、植物種類和納米顆粒的不同而有很大差異。本研究中，TiO2NPs和Cd脅迫導致根系MDA的含量顯著增加，表明小白菜根系ROS大量產生，誘發膜脂過氧化，因此，ROS引起的細胞壁疏松可能是本研究中TiO2NPs進入植物根系的途徑之一。植物對納米顆粒的吸收，納米顆粒在植物體內的分布、遷移、轉化十分復雜，許多機制上的問題還需要進一步的深入研究。

TiO2NPs增強Cd對小白菜生長的抑制，株高、根長、生物量顯著降低（P＜0.05），這與小白菜根部和地上部的Cd含量相一致，兩者共暴露處理下根部和地上部的Cd含量與單獨Cd處理相比顯著增加（P＜0.05）。吸附了Cd的TiO2NPs團聚體大量地附著在小白菜根系周圍，可能造成根系表面局部Cd濃度過高，而且TiO2NPs吸附Cd后會發生解吸現象，從而增加根系對Cd的吸收[45]。相關研究表明，TiO2NPs可以作為Cd在植物細胞中生物蓄積的載體[15]，這可能是影響小白菜體內Cd吸收和轉運的重要因素。EDS結果顯示TiO2NPs和Cd的復合體被小白菜根系吸收和內化（圖6F和圖6L），因此TiO2NPs可以作為小白菜對Cd吸收的有效載體。但不論是否加入TiO2NPs，根系依然是植物累積Cd的主要部位，TiO2NPs并沒有促進Cd從根系向葉片的轉運，Singh等[29]也得到類似結果。本研究中TiO2NPs誘導根系MDA含量顯著上升，損傷細胞膜的完整性，TiO2NPs可能通過增加植物細胞膜的通透性，從而導致Cd進入植物體內[46]。Lian等[47]發現100 mg·L-1TiO2NPs增加了玉米植株體內的Cd含量，引起細胞膜損傷，這與本研究結果類似；但250 mg·L-1TiO2NPs處理下玉米體內的Cd含量降低。同時，Ji等[30]研究表明1 000 mg·L-1TiO2NPs濃度下，水稻葉片和根系的Cd含量顯著降低。這可能是由于在高濃度TiO2NPs下，大部分Cd被帶負電荷的TiO2NPs吸附而不能被根吸收。本研究所選實驗濃度遠低于其他研究者的濃度，而更接近實際的環境濃度，因此更具有現實意義。

與CK相比，20 mg·L-1TiO2NPs對小白菜的葉綠素含量無顯著影響，10 mg·L-1Cd顯著抑制了葉綠素的合成，這反映了TiO2NPs的低毒性，Song等[48]對番茄的研究也得到類似結果。TiO2NPs與Cd聯合暴露時葉綠素含量顯著降低，引起葉片黃化。研究表明，Cd在葉片中過量積累，會與葉綠體中蛋白質上的巰基結合，或取代其中的鐵、鎂、鋅等，破壞葉綠體結構和功能活性[49]。完整有序的類囊體結構，能使膜電荷保持穩定，膜成分區域化，保證植物的光合作用正常進行[52]。本研究中，小白菜葉綠素含量的變化與葉綠體超微結構的破壞有一定的關系。Cd脅迫下葉綠體上的嗜鋨顆粒數量明顯增加，基粒片層和類囊體失去原有的秩序發生紊亂；TiO2NPs處理下有完整的類囊體膜。兩者共暴露時，小白菜葉肉細胞的葉綠體結構損傷程度加劇，葉綠體膨脹成球形，基粒類囊體膨脹且排列紊亂、不規則，葉綠素含量與Cd處理相比顯著降低。因此，Cd對葉綠體超微結構的損傷可能是TiO2NPs和Cd共處理下葉綠素含量降低的主要原因。

氧化脅迫是解釋有毒物質對生物組織或細胞產生毒性作用的主要機制之一[51]。在可調節范圍內，植物通過刺激抗氧化酶（CAT、POD、SOD）的活性來抵抗氧化應激，但在強氧化條件下會失去作用，甚至降低抗氧化酶的活性，破壞抗氧化系統[52]。TiO2NPs通過物理作用和內化導致ROS產生，對植物產生氧化應激[53]。MDA是生物膜系統脂質過氧化的產物之一，是一種重要的逆境生理指標[54]。Cd的積累和對細胞結構的損傷也會導致ROS的產生。兩者共同作用導致氧化應激作用加強，MDA含量顯著高于單獨Cd處理，造成膜損傷，膜系統的完整性喪失；SOD、POD、CAT的活性顯著降低（P＜0.05），小白菜的抗氧化系統被破壞，ROS大量積累，對植物產生毒害，這與前人在其他作物上的研究類似[47]。然而，還需要在生物化學和分子水平上進行進一步的研究，以深入了解植物中TiO2NPs和Cd相互作用的本質。

4 結論

（1）TiO2NPs能被小白菜根系吸收內化，并轉運到葉片，TiO2NPs對小白菜表現出低毒性，引起氧化應激，但不影響小白菜的正常生長。

（2）TiO2NPs顯著增加Cd對小白菜幼苗的毒性效應，這主要是由于TiO2NPs攜帶Cd進入植物體內，增加Cd在根和葉中的積累，導致膜脂過氧化，植物細胞應激反應和防御系統平衡被打破，最終表現為小白菜幼苗株高、根長、生物量減小。