根表铁膜对水稻吸收运输氧化铜纳米颗粒的影响及其调控机制研究
批准号:
41807461
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
彭程
依托单位:
学科分类:
污染物环境行为与效应
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
桑文静、沈晓凤、袁志军、赵凤
中文摘要
农田土壤正逐渐成为金属纳米颗粒在环境中的主要沉积库,金属纳米颗粒可以被农作物吸收运输进入食物链,危害人体健康。但目前对于如何控制纳米材料的植物吸收研究还鲜有报道。水稻根系表面形成的根表铁膜是污染物进入植物体内的门户,可通过调控污染物结合形态保护植物根系。本项目拟通过室内模拟实验,以水稻根表铁膜为切入点,以典型金属纳米颗粒——氧化铜纳米颗粒为目标污染物,重点利用同步辐射软、硬X射线光谱技术结合微结构分析方法从微米尺度和纳米尺度开展研究,弄清根表铁膜形成对水稻吸收累积氧化铜纳米颗粒的影响,明确根表铁膜与氧化铜纳米颗粒微界面反应特征,揭示根表铁膜改变氧化铜纳米颗粒植物吸收方式和运输途径的关键机制,从而阐明根表铁膜对水稻吸收运输金属纳米颗粒的影响及其调控机制,对于科学评估金属纳米颗粒污染风险和保障农产品安全具有重要意义。
英文摘要
Agricultural soil is gradually becoming a primary sink for metal-based nanoparticles (MNPs). MNPs can be absorbed and translocated by crops and further enter the food chain, which may pose a threat to the human health. However, few studies have been reported on how to control the uptake of MNPs by plants so far. The iron plaque formed on the surface of rice roots is the gateway of pollutants into the plant, which can protect the roots via transforming the speciation of pollutants. In this project, we will study the interaction between iron plaque and copper oxide nanoparticles (CuO NPs) at micro- and nanoscale using synchrotron radiation soft and hard X-ray spectroscopy combined with other microstructure analysis methods. The main aims of this work are to investigate the effect of iron plaque on the uptake and accumulation of CuO NPs by rice plants, probe the characteristics of the micro-interface reaction between iron plaque and CuO NPs, explore the critical mechanism of the iron plaque altering the absorption pattern and translocation pathway of CuO NPs in rice plants, and thus clarify the effect of iron plaque on the uptake and translocation of CuO NPs by rice plants and its regulatory mechanism. This work should be of great significance for scientifically assessing the risk of MNP contamination and ensuring the safety of agricultural products.
农业土壤逐渐成为金属纳米颗粒在环境中的沉积库。水稻根系表面形成的根表铁膜是污染物进入植物体内的门户,可调控污染物形态保护根系。本项目通过室内水培和土培实验,重点利用同步辐射技术结合微结构分析方法开展了研究。研究主要发现:1)明确了根表铁膜形成对氧化铜纳米颗粒(CuO NPs)水稻吸收累积特征的影响,探究了Fe2+介导下CuO NPs对水稻根系代谢的影响。铁膜的存在将根和茎中Cu累积量分别降低了89%和78%。同时,植物中Cu积累量与铁膜含量呈负相关。Fe2+主导了CuO NPs-Fe2+复合处理下水稻根系的代谢物变化。Fe2+处理下调了与重金属代谢有关的有机酸(柠檬酸、琥珀酸、富里酸以及草酸)和氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸、酪氨酸以及丝氨酸)。2)解析了亚铁离子对CuO NPs团聚、沉淀、溶解与形态转化的影响,阐明了根表铁膜对CuO NPs的动态吸附特征。Fe2+通过改变CuO NPs 的团聚和溶解性能从而影响其环境行为。Fe2+促进了CuO NPs的溶解同时抑制了其团聚。在Fe2+介导下,CuO NPs中Cu(II) 逐渐转化为Cu(I),Fe(II) 则同步被氧化成Fe(III)。Fe2+诱导的根表铁膜主要为无定型铁膜,其含量是结晶态铁膜的45~48倍。6 h 内Fe2+会促进水稻根表面对NPs 的吸附,但随时间延长,Cu 元素吸附量显著下降。3)探究了不同铁源对土壤-水稻中CuO NPs迁移累积的影响,揭示了根表铁膜对NPs植物吸收方式与运输途径的影响机制。Fe2+和纳米零价铁(nZVI)处理提高了分蘖期土壤中CuO NPs的生物有效性;而成熟期仅高浓度Fe2+处理下土壤中CuO NPs的生物有效性显著降低了45.4%。铁源添加增加了水稻根表铁膜的含量。中低浓度亚铁以及nZVI处理会减少水稻根和叶中Cu元素的累积。X射线吸收近边结构(XANES)分析表明,有铁膜存在时芽中CuO所占比例较低而Cu(I)比例较高。此外,微束X射线荧光(μ-XRF)结合μ-XANES表明根表皮和外胚层中的铁膜由针铁矿和水铁矿组成,阻碍了根部对CuO NPs的吸收。但仍有少量CuO NPs通过根毛或侧根被根吸收并转移到芽中。在具有铁膜的水稻中超过90%总Cu(II)在叶脉中被还原为Cu(I)-半胱氨酸和Cu2O。研究结果对于科学评估金属纳米颗粒污染风险和保障农产品安全具有重要意义。
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Heavy Metals, Nitrogen, and Phosphorus in Sediments from the First Drinking Water Reservoir Supplied by Yangtze River in Shanghai, China: Spatial Distribution Characteristics and Pollution Risk Assessment
上海长江第一饮用水水库沉积物中重金属、氮、磷的空间分布特征及污染风险评估
DOI:
10.1007/s11270-020-04651-6
发表时间:
2020-06
期刊:
Water, Air, and Soil Pollution
影响因子:
--
作者:
[Peng Cheng, Shen Yihao, Wu Xuefei, Yuan Peng, Jiang Lei, Chen Si, Ze Siwen, Wang Xianyun, Song Xinshan]
通讯作者:
Song Xinshan
Iron Plaque: A Barrier Layer to the Uptake and Translocation of Copper Oxide Nanoparticles by Rice Plants
铁斑:水稻植物吸收和转运氧化铜纳米颗粒的屏障层
DOI:
10.1021/acs.est.8b02687
发表时间:
2018
期刊:
Environmental Science & Technology
影响因子:
11.4
作者:
[Peng Cheng, Chen Si, Shen Chensi, He Miao, Zhang Yunqi, Ye Jien, Liu Jianshe, Shi Jiyan]
通讯作者:
Shi Jiyan
Aggregation, Sedimentation, and Dissolution of Copper Oxide Nanoparticles: Influence of Low-Molecular-Weight Organic Acids from Root Exudates
氧化铜纳米粒子的聚集、沉降和溶解:根系分泌物中低分子量有机酸的影响
DOI:
10.3390/nano9060841
发表时间:
2019-06
期刊:
Nanomaterials
影响因子:
5.3
作者:
[Peng Cheng, Tong Hong, Yuan Peng, Sun Lijuan, Jiang Lei, Shi Jiyan]
通讯作者:
Shi Jiyan
Spatial and seasonal variations and risk assessment for heavy metals in surface sediments of the largest river-embedded reservoir in China
我国最大河流嵌入式水库表层沉积物重金属时空变化及风险评估
DOI:
10.1007/s11356-020-09868-w
发表时间:
2020-06
期刊:
Environmental Science and Pollution Research
影响因子:
5.8
作者:
[Yuan Peng, Wu Xuefei, Xia Yuqi, Peng Cheng, Tong Hong, Liu Jianshe, Jiang Lei, Wang Xianyun]
通讯作者:
Wang Xianyun
Effect of overlying water pH, temperature, and hydraulic disturbance on heavy metal and nutrient release from drinking water reservoir sediments
上覆水 pH 值、温度和水力扰动对饮用水水库沉积物重金属和营养物释放的影响
DOI:
10.1002/wer.1587
发表时间:
2021-05
期刊:
Water Environment Research
影响因子:
3.1
作者:
[Peng Cheng, Huang Yunying, Yan Xuchen, Jiang Lei, Wu Xuefei, Zhang Wei, Wang Xianyun]
通讯作者:
Wang Xianyun
共 11 条
干湿交替下铁氧化物耦合有机质对土壤-水稻中CdSe量子点迁移转化驱动机制
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:57万元
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批准年份:2021
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负责人:彭程
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依托单位:
干湿交替下铁氧化物耦合有机质对土壤—水稻中CdSe量子点迁移转化驱动机制
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批准号:42177395
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项目类别:面上项目
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资助金额:57.00万元
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批准年份:2021
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负责人:彭程
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依托单位:
国内基金
海外基金