胆碱类离子液体对玉米的毒性研究

Ionic liquids have regarded as “green” due to their unique solvent properties. They have showed widely application potential in various fields such as biocatalysis, organic synthesis, clean energy, extraction and separation. Their potential ecotoxicity and biodegradation, design and synthesis of environmentally friendly ionic liquids have gradually attracted great attention. In this project, a series of cholinium ionic liquids are synthesized via simple acid-base neutralization from renewable raw materials. Maize, which is a major field crop, is cultured in hydroponic and soil media respectively for investigation of the effects of cholinium ionic liquids on tissue damage, photosynthetic characteristics and active oxygen metabolism. At the same time, the effects of traditional imidazolium and pyridinium ionic liquids on maize are also studied for a good knowledge of quantitative structure-activity relationships between toxicity and different ions components. In addition, differential proteomics is performed to reveal the internal mechanism of ionic liquids on maize growth.

离子液体因其独特的溶剂特性而被认为是“绿色”的，广泛应用于生物催化、有机合成、清洁能源、萃取分离等领域，其潜在的生态毒性、生物降解性及环境友好离子液体的设计与合成逐渐引起人们的重视。本项目拟采用可再生物质为原料，通过简单中和反应合成一系列胆碱类离子液体，以代表性农作物玉米为研究对象，分别采用水培和土培的方式，探讨新型胆碱类离子液体对玉米组织伤害、光合特性及活性氧代谢的影响规律；同时，结合传统咪唑和吡啶类离子液体对玉米的毒性之研究，明确不同阴阳离子组成及结构与离子液体毒性的定量构效关系；借助差异蛋白质组学技术，揭示离子液体影响玉米生长的内在机理。

离子液体因其独特的溶剂特性而被认为是“绿色”的，广泛应用于萃取、分离、催化、有机合成等领域，综合评估其对生态环境的潜在危害以及农业生态风险具有重要的理论和实际意义。本项目以胆碱、氨基酸、脂肪酸为原料，采用一步中和法合成32种胆碱类离子液体，结合10种传统离子液体（6种咪唑离子液体，4种吡啶离子液体），对比研究了离子液体的组成、结构对玉米种子萌发和幼苗生长的影响规律。结果表明：传统咪唑及吡啶类离子液体对玉米的毒性远远高于胆碱类离子液体，并且随浓度的增大而毒性增大，存在剂量-效应关系；随着取代基碳链长度的增长而毒性增加；侧链引入功能基团的疏水性越强，毒性越大：-CH=CH2>-CH3>-CH2OH。高浓度的传统离子液体显著抑制了玉米幼苗细胞中的抗氧化酶活性，增加了活性氧含量，所产生的氧化胁迫可能是离子液体产生毒性的重要原因。此外，转录组分析所发现的差异表达基因主要涉及光合作用、碳水化合物代谢和氨基酸代谢等物质代谢途径，光合受损及主要合成代谢途径的变化可能是离子液体产生毒性的另一重要原因。部分新型胆碱类离子液体对玉米种子萌发及幼苗生长在低浓度范围具有显著的促进效应，主要体现在侧根数的增加和根茎生物量的积累；高浓度下具有一定的抑制作用，但毒性远远低于传统离子液体。.本项目揭示了不同离子液体对玉米毒性的结构-效应关系，初步解析了离子液体影响玉米生长的可能机理，提供了合成环境友好型离子液体的可行思路，探索了胆碱类离子液体应用于农业生产领域的可能性，为新型环境友好离子液体的开发和使用提供理论依据。