氮摻雜碳納米顆粒對油菜種子萌發的影響

胡偉 向言詞 向建華 周練 陳燕

摘要? ? 為明確氮摻雜碳納米顆粒（N-CNPs）對油菜種子萌發和生長的影響，采用室內種子發芽試驗，對比分析不同氮摻雜水平碳納米顆粒處理后油菜種子發芽率、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性的差異。結果表明，氮摻雜碳納米顆粒（N-CNPs）能有效提升油菜種子的發芽率，在培養至第5天時，低氮、中氮和高氮摻雜量碳納米顆粒處理后的油菜種子發芽率分別較不施用氮摻雜碳納米顆粒對照處理提升了10.76%、5.83%和7.31%，差異達到顯著水平。高氮摻雜量碳納米顆粒處理（N-CNPs3）油菜種子胚芽中SOD酶活性在培養至第3天時，達到0.179 U/g FW，增幅達到67.29%;第4天時，CAT酶活性增幅達到了53.04%，均顯著高于不施用氮摻雜碳納米顆粒對照處理。但培養至第7天時，不同氮摻雜量碳納米顆粒處理油菜種子胚芽中SOD酶和CAT酶活性與不施用氮摻雜碳納米顆粒對照處理無顯著差異。由此表明，以0.5‰氮摻雜碳納米顆?；鞈乙禾幚碛筒朔N子不會對其萌發過程造成不可逆的傷害，不具有明顯的生態毒性。

關鍵詞? ? 油菜;氮摻雜碳納米粒子;種子萌發;抗氧化酶;生態毒性

中圖分類號? ? S565.4? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）21-0017-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

氮摻雜碳納米顆粒能有效降低土壤中的硝態氮含量，提高氮肥的表觀利用率，對土壤中主要硝化菌群也有明顯的抑制作用[1]，氮摻雜碳納米顆粒還能促進油菜苗期的生長和氮素的積累，改善油菜葉片氮素代謝酶活性[2]，在氮肥增效和油菜增產提質方面表現出了較高的研究價值。因此，進一步評估氮摻雜碳納米材料對油菜植株的毒性大小是推動其農業應用的必要環節。已有研究表明，在植物生長過程中，金屬納米顆粒能抑制大多數植物的萌發和根芽生長，在低濃度下即可表現出毒性，毒性大小或與納米顆粒的尺寸和體積相關[3]。但也有研究結果顯示，適宜濃度的納米ZnO顆粒能促進綠豆芽的生長[4];在細胞水平上，金屬納米顆粒也表現出了比較明顯的毒性，如納米ZnO顆粒嚴重影響黑麥草根的形態和結構，包括根尖收縮、表皮和根冠破壞、皮層細胞高度空泡化[5];對于不同種類金屬納米顆粒能對植物的生長發育產生不同水平的生態毒性效應已無異議，其毒性大小受作物種類、納米顆粒類型、暴露時間和劑量等因素影響，但針對碳納米顆粒及其改性材料的植物生態毒性研究報道則鮮有報道。李小康等[6]研究發現，碳納米顆粒在動物生態毒性效應方面與納米氧化鋅、納米二氧化硅一樣對MEF細胞增殖產生抑制作用和對細胞膜完整性產生損傷作用，其毒性效果均隨染毒劑量的升高而增強，具有明顯的劑量-效應關系。因此，本文以不同氮摻雜量碳納米粒子為研究對象，通過室內種子培養試驗探討氮摻雜碳納米粒子對油菜種子萌發的影響，明確氮摻雜碳納米粒子對油菜生長發育的生態毒性效應。以期為氮摻雜碳納米粒子的農業安全應用提供參考。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 供試材料

氮摻雜碳納米顆粒（N-CNPs）由湖南科技大學物理學院提供，將2 g檸檬酸和尿素按質量比5∶1（低氮摻雜量）、1∶1（中氮摻雜量）和1∶2（高氮摻雜量）分別溶解于20 mL去離子水中。置于微波爐中（功率700 W）加熱4 min，獲得棕黑色固體，60 ℃烘干1 h，去除殘留小分子，烘干的固體溶于100 mL去離子水，經3 000 r/min離心20 min取上清液烘干后得到不同氮摻雜量碳納米顆粒[7]。供試油菜品種為湘油15號。

1.2? ? 試驗設計

本試驗設4個處理，分別為不施用氮摻雜碳納米顆粒（CK）、低氮摻雜量碳納米顆粒（氮摻雜量1.2%，N-CNPs1）、中氮摻雜量碳納米顆粒（氮摻雜量6.7%，N-CNPs2）、高氮摻雜量碳納米顆粒（氮摻雜量9.3%，N-CNPs3），3次重復。稱取0.5 g氮摻雜碳納米顆粒與1 L純凈水混合制備成0.5‰氮摻雜碳納米顆粒混懸液備用。選用1 200粒成熟飽滿的湘油15號油菜種子，隨機分成12組，每個培養皿放置100粒。用0.1%硫酸銅消毒10 min，接著用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡種子消毒30 min。用蒸餾水漂洗種子2次后放入事先消毒的雙層濾紙上（0.7 mL溶液），按處理設置加入20 mL氮摻雜碳納米顆粒混懸液，22 ℃培養7 d，每天噴灑純凈水保持濕潤。分別于第3、4、5、6、7天觀測各處理種子發芽率，同時從已發芽的的種子中選取2 g鮮胚芽測定過氧化氫酶活性和超氧化物歧化酶活性。

1.3? ? 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件對試驗數據進行處理與作圖，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較（Duncan）對試驗數據組間進行差異性比較（P<0.05）。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 種子發芽率

由表1可知，氮摻雜碳納米顆粒能提高油菜種子的發芽率，縮短油菜種子出芽周期，且不同氮摻雜水平碳納米顆粒對油菜種子發芽率的影響存在差異。培養后的第3天時，3種不同氮摻雜水平碳納米顆粒處理后的油菜種子發芽率較CK分別增加了5.18、0.17、2.95個百分點，其中低摻雜量碳納米顆粒（N-CNPs1）處理發芽率與CK差異達到顯著水平。各處理間種子發芽率差異在培養第5天時達到最大值，低、中和高氮摻雜量碳納米顆粒處理后的油菜種子發芽率分別較CK提升了10.76%、5.83%、7.31%，均顯著高于CK。到培養第7天時，各處理種子發芽率均超過95%，氮摻雜碳納米顆粒處理后的種子發芽率雖高于CK，但差異不顯著。提升氮摻雜水平能影響油菜種子發芽率，在培養的第3、4、5天，低氮摻雜量碳納米顆粒處理（N-CNPs1）油菜種子發芽率顯著高于中、高量氮摻雜水平碳納米顆粒處理（N-CNPs2和N-CNPs3），而在培養的第6天和第7天，低氮摻雜量碳納米顆粒處理（N-CNPs1）油菜種子發芽率反而低于其他氮摻雜碳納米顆粒處理。