稻田生态系统中纳米二氧化钛对镉生物效应的影响机制

As a potential emerging contaminant, nano-TiO2 is widely released into agroecosystem due to its extensive production and use, which would interact with heavy metals. At present, most studies focus on the toxicity of nano-materials in a single medium, while little is known about the ecological effect of nanomaterials and co-existing pollutants in multimedium environment. Paddy field system is a typical agroecosystem, in which nano-TiO2 and Cd probably coexist. To address the problem, we will construct a simple microcosmic model of paddy field system on the basis of preliminary studies，of which one of common rice varieties in South China is used. The environmental behavior and biological effect of nano-TiO2 and typical heavy metal (Cd) in paddy system will be studied. Our study is expected to solve three problems: to illuminate the interaction between nano-TiO2 and Cd as well as their migration rule in paddy soil and overlying water; to reveal the impact of nano-TiO2 on Cd biological effect in paddy system; to explore the influence of nano-TiO2 particle size on paddy system under Cd stress. The results of this project will contribute to a theoretical support on predicting the impact of nanomaterials on agricultural environment.

作为潜在的新型环境风险污染物，纳米二氧化钛（nano-TiO2）因其大量的生产和使用广泛地释放进入我国农业环境中，与传统重金属污染物发生相互作用。目前研究多集中在单一介质中纳米材料的毒性研究，缺乏针对环境多介质中纳米材料与共存污染物生态效应的探索。稻田体系是典型的生态农业系统，也是nano-TiO2与重金属镉（Cd）很可能共存的环境。本课题针对上述问题，在前期研究基础上，拟构建一个稻田微宇宙模型，选取中国南方常见的水稻品种，研究nano-TiO2与典型重金属Cd在稻田生态系统中的环境行为与生物效应。通过本研究拟解决三个问题：阐明nano-TiO2与共存Cd的相互作用以及在稻田土壤和上覆水中的迁移、分配规律；揭示nano-TiO2对Cd胁迫水稻生长发育的影响机制；探索nano-TiO2粒径尺寸对Cd胁迫稻田生态系统的影响机理。为预测纳米材料对农业环境的影响提供理论支持。

作为潜在新型环境风险污染物，纳米颗粒因其大量生产和使用广泛地释放进入我国农业环境中，与传统污染物发生相互作用。当前纳米颗粒与传统污染物共存对不同环境介质的农业生物受体影响研究较少，因此，本项目分别选取水培小白菜以及稻田生态系统水-土培养方式的水稻，研究纳米颗粒及共存污染物对生物的毒性效应机制。结果表明，（1）水培模式的TiO2NPs可通过共质体途径进入小白菜根系，在根部大量富集，并向上转运至叶片，并以颗粒团聚体形式分布于根系和叶片细胞中，TiO2NPs作为Cd的载体，显著促进了Cd在小白菜体内的积累，破坏小白菜的抗氧化防御系统和细胞的超微结构，导致氧化损伤；（2）稻田生态系统中，金红石相和锐钛矿TiO2NPs均会抑制土壤对Cd2+的吸附，促进土壤对Cd2+的解吸，晶型结构和粒径大小对此影响差异不显著；（3）TiO2 NPs和Cd但二者共存时，水稻株高、地上干重、根长、根干重以及叶绿素含量显著降低，水稻生长受到抑制，同时水稻叶片细胞超微结构受损加重，尤其叶绿体受损严重，但并未在根、茎叶的细胞中发现TiO2 NPs颗粒；（4）TiO2 NPs与Cd共存组相较于Cd单一处理组，根系和叶片的MDA有降低趋势，SOD、CAT、POD抗氧化防御体系酶活性有增加趋势，而不同粒径、不同晶型以及不同浓度的TiO2 NPs尚未见明显的规律。由此可知，TiO2 NPs在水体介质中，更容易通过根系进入植物体内，以载体方式促进共存Cd的毒性风险，而在稻田水-土介质中，TiO2 NPs可能无法直接进入植物体内，通过其他方式（正在分析）促进共存Cd的毒性效应。因此，TiO2 NPs本身虽然表现的毒性较低，与其他污染物共存时，存在增加共存污染物对作物毒性的风险。以上研究结果为国家建立纳米材料安全性评估和预防体系提供科学依据，为确保国家粮食安全以及现代农业生态系统的健康发展提供风险预测方向。