檸檬酸對(duì)納米氧化鐵誘導(dǎo)水稻根表鐵膜形成及對(duì)水稻鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

胡 露,陳 奇,李云霞,閆達(dá)方,鮑艷宇*

檸檬酸對(duì)納米氧化鐵誘導(dǎo)水稻根表鐵膜形成及對(duì)水稻鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

胡 露1,2,陳 奇1,2,李云霞1,2,閆達(dá)方1,2,鮑艷宇1,2*

（1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，教育部環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.天津市城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

本研究利用水培模擬實(shí)驗(yàn)探討了檸檬酸對(duì)納米氧化鐵（NPs，γFe2O3）誘導(dǎo)水稻根表鐵膜的影響，同時(shí)研究了其對(duì)鐵（Fe）在植株體內(nèi)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。結(jié)果表明，低濃度檸檬酸包被和未包被處理NPs能夠顯著增加水稻根生物量，但對(duì)水稻地上部生物量影響不顯著。NPs能夠誘導(dǎo)根表鐵膜形成，然而鐵膜量隨著檸檬酸濃度增加而下降，可能是由于檸檬酸降低NPs的Fe2+釋放量造成的；但是2.10 mg·L-1檸檬酸包被NPs能顯著提高根表鐵膜量。根表鐵膜主要以無(wú)定型為主（除檸檬酸包被處理外），晶格態(tài)僅占鐵膜總量的24.88%～48.12%；其中，由于根表鐵膜的晶格構(gòu)造與NPs類似，可能晶格態(tài)鐵膜主要來源于NPs的直接吸附沉淀。檸檬酸的加入顯著降低Fe在根表和根中累積，但是增加了Fe在地上部的累積；然而，檸檬酸包被NPs處理能夠增加Fe在根表和植株地上部的累積，但降低Fe在根系中的累積。2.10 mg·L-1檸檬酸（包被和未包被NPs處理）能夠減弱Fe從根表向根內(nèi)的轉(zhuǎn)移，但是增強(qiáng)了Fe從根向地上部的轉(zhuǎn)移。不同NPs處理?xiàng)l件下，F(xiàn)e在水稻植株不同部位均存在富集現(xiàn)象，根表和地上部的富集系數(shù)顯著高于根內(nèi)。

納米氧化鐵；水稻；根表鐵膜；吸收；轉(zhuǎn)運(yùn)

納米材料由于其獨(dú)特的電學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)以及催化性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和日常生活之中。市場(chǎng)上有超過300種納米材料產(chǎn)品被生產(chǎn)和銷售[1]，納米產(chǎn)品的應(yīng)用增加將導(dǎo)致這些納米產(chǎn)品暴露在環(huán)境中，其中，土壤是納米材料重要的沉積場(chǎng)所，尤其是對(duì)于一些將污泥農(nóng)用作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)流程的城市來說[2]。目前，納米磁赤鐵礦（γFe2O3nanoparticle，NPs）已被廣泛應(yīng)用于磁性材料、顏料、精細(xì)陶瓷以及塑料制品的制備和催化劑工業(yè)中，在聲學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)，尤其是醫(yī)學(xué)和生物工程如生物醫(yī)療圖像等方面也有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景[3-4]。作為金屬納米氧化物的一種，它會(huì)在生產(chǎn)、使用、處理過程中不可避免地進(jìn)入到環(huán)境中，最終通過各種方式進(jìn)入到土壤中，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的農(nóng)作物造成一定的影響。另一方面，鐵（Fe）是植物所必需營(yíng)養(yǎng)元素，在農(nóng)作物葉綠素的合成上起著至關(guān)重要的作用，伴隨著NPs的Fe離子釋放，它可能作為養(yǎng)分元素被農(nóng)作物吸收利用。

根際是污染物進(jìn)入植物體內(nèi)的第一道屏障，根系分泌物如低分子量有機(jī)酸等[5]可能影響納米粒子在根際溶液中的性質(zhì)，如通過吸附在納米粒子表面產(chǎn)生單個(gè)納米粒子間相斥的雙電層，影響納米粒子的穩(wěn)定性，從而影響植物對(duì)納米粒子的吸收、遷移和轉(zhuǎn)化。而且，納米金屬氧化物與根系分泌物在植物根表構(gòu)成的根際微界面是其離子釋放、還原轉(zhuǎn)化的必要條件[6-7]。有研究發(fā)現(xiàn)乙酸能夠增加La2O3納米粒子的溶解[8]；當(dāng)CeO2納米粒子包被檸檬酸后，植株中累積的鈰含量減少[9]；納米鐵包被檸檬酸后，顯著地提高了光合作用參數(shù)[10]。通常條件下，納米金屬氧化物可能通過兩種方式進(jìn)入植物體內(nèi)，一方面，通過離子釋放，然后以離子形態(tài)進(jìn)入植物體內(nèi)，另一方面，直接通過細(xì)胞壁的孔隙也可以直接進(jìn)入植物根內(nèi)組織中。但是目前關(guān)于NPs如何被水稻吸收的研究還鮮見報(bào)道。然而，到目前為止，根系分泌的典型低分子量有機(jī)酸——檸檬酸如何影響納米氧化鐵的植物吸收累積尚不清楚。

濕地植物（如水稻）能夠在植株根表形成鐵氧化物膠膜（簡(jiǎn)稱“鐵膜”），這是由于植物為了適應(yīng)淹水條件，根系會(huì)生成大量通氣組織，將大氣中的氧氣通過葉片輸送到根系，在根際形成氧化環(huán)境，如果淹水環(huán)境有大量的Fe存在，根系氧化作用會(huì)導(dǎo)致根表形成明顯的鐵膜[11]，已有研究顯示根表鐵膜會(huì)對(duì)水稻吸收累積As等重金屬污染物產(chǎn)生影響[12-13]。NPs暴露是否誘導(dǎo)形成根表鐵膜，進(jìn)而對(duì)Fe的水稻吸收累積及轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生影響，至今為止還未見報(bào)道和研究。

水稻作為重要的糧食作物，占糧食總產(chǎn)量的一半以上。納米材料在環(huán)境中的排放，最終不可避免地進(jìn)入農(nóng)田環(huán)境中，因此可能對(duì)食品安全和人體健康造成威脅。因此，本研究選取了水稻作為研究對(duì)象，開展了γFe2O3NPs暴露條件下根表鐵膜的形成以及水稻吸收累積Fe的效應(yīng)研究，并以檸檬酸為典型根系分泌物，探討了其對(duì)根表鐵膜形成的影響以及水稻吸收累積Fe效應(yīng)的影響，將為如何降低此類污染物在農(nóng)作物水稻體內(nèi)吸收積累的界面調(diào)控提供借鑒，對(duì)促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品向安全、健康的方向發(fā)展有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試γFe2O3NPs：固體粉末，呈球形，粒徑為20 nm，比表面積為45.6 m2·g-1，購(gòu)于長(zhǎng)春三邦醫(yī)藥科技有限公司。

供試檸檬酸（CA）：純度≥99.0%，分子式為C6H8O7·H2O，分子量 210.14。

供試水稻：品種為津原E28，由天津市農(nóng)作物研究所提供。選擇大小一致、顆粒飽滿的種子，用30%H2O2消毒30 min后，用去離子水清洗3～4遍，蒸餾水浸泡24 h后，播于潤(rùn)濕的單層紗布上，水稻出苗10 d后，挑選出生長(zhǎng)一致的幼苗移栽到100 mL的三角瓶中，每瓶10株幼苗，每個(gè)盆中供應(yīng)1/4強(qiáng)度的國(guó)際水稻所水稻營(yíng)養(yǎng)液，營(yíng)養(yǎng)液pH值調(diào)至5.0，每3 d更換一次進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

從第三次營(yíng)養(yǎng)液開始，加入25 mg·L-1NPs（加入前超聲1 h，使其盡量分散）設(shè)置以下5個(gè)處理組：CK為未加入NPs處理，為了保證水稻的正常生長(zhǎng)，僅加入 1.128 mg·L-1EDTA-Fe（Ⅱ）；NPs為 25 mg·L-1NPs；NPs+CA1 為 25 mg·L-1NPs+2.10 mg·L-1檸檬酸[未包被]；NPs+CA2 為 25 mg·L-1NPs+8.41 mg·L-1檸檬酸[未包被]；NPs+CA 為 25 mg·L-1NPs+2.10 mg·L-1檸檬酸[包被]。每個(gè)處理組設(shè)置三個(gè)重復(fù)，每盆中種植6株水稻。其中，為探明NPs被檸檬酸包被與不包被添加情況下水稻吸收、累積、轉(zhuǎn)運(yùn)Fe的差異，選取其中一個(gè)濃度組即2.10 mg·L-1檸檬酸來進(jìn)行研究。檸檬酸設(shè)置包被和未包被的添加方式，未包被是指NPs超聲溶解后配制25 mg·L-1，在培養(yǎng)前加入檸檬酸使其濃度為2.10 mg·L-1，從而避免包被可能產(chǎn)生的影響；而檸檬酸包被采用的是Kotsmar[14]提出的方法，此方法的包被穩(wěn)定性可長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月。具體為，加入檸檬酸后使其溶液濃度為2.10 mg·L-1，調(diào)節(jié)pH值為5，加入25 mg·L-1的 NPs，超聲分散后在 90°下攪拌 90 min，促進(jìn)檸檬酸在NPs表面的包被，然后在搖床中以1200 r·h-1轉(zhuǎn)速振動(dòng)24 h，即為包被溶液。其中70%以上的檸檬酸被吸附在納米顆粒表面，同時(shí)為了保證與未包被處理中檸檬酸濃度一致，因此未對(duì)包被納米材料進(jìn)行水洗去除多余檸檬酸的處理。將上述所有培養(yǎng)液的pH值均調(diào)為5，25℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行10 d的水培實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)過程中為了避免可能產(chǎn)生的影響，未對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行更換，培養(yǎng)結(jié)束后將水稻從營(yíng)養(yǎng)液中取出，每個(gè)處理取三株用去離子水沖洗3次，然后從莖基部將水稻根和地上部分開，分別對(duì)根表晶格態(tài)和無(wú)定型鐵膜數(shù)量、根及地上部Fe含量進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 水稻根表鐵膜測(cè)定

水稻植株根表鐵膜包括無(wú)定型態(tài)和晶格態(tài)，首先，采用草酸銨-草酸溶液對(duì)根表無(wú)定型態(tài)進(jìn)行提取，然后用 DCB（Dithionite-Citrate-Bicarbonate method）溶液對(duì)晶格態(tài)組分進(jìn)行提取[15-16]。具體步驟：將用去離子水洗干凈后的水稻根系放入150 mL三角瓶中，加入 pH=4 的草酸銨（0.175 mol·L-1）-草酸（0.10 mol·L-1）溶液50 mL提取無(wú)定型態(tài)鐵膜，振蕩3 h，浸提液用火焰法原子吸收測(cè)定其中的Fe含量，即為無(wú)定型鐵膜量。然后，將上述水稻根系繼續(xù)用DCB溶液提取，即放入150 mL三角瓶中，加入40 mL 0.3 mol·L-1的Na3C6H5O7·2H2O，5 mL 1 mol·L-1的 NaHCO3，3 g Na2S2O4，振蕩3 h，浸提液用火焰法原子吸收測(cè)定其中的Fe含量即為根表晶格態(tài)鐵膜量。

1.3.2 水稻根及地上部Fe含量測(cè)定

將水稻地上部和浸提后的水稻根分別用純凈水清洗3次，用吸水紙將水分吸干后，80℃恒溫下烘干至恒重，冷卻后放入干燥器中，分別稱量后加入5 mL的HNO3和3 mL的H2O2，蓋上短頸小漏斗浸泡過夜后移至電熱板上緩慢加熱，消解至溶液清亮并繼續(xù)加熱至近干，用2%的HNO3定容到10 mL，用火焰原子吸收法測(cè)定其中的Fe含量。

1.3.3 水稻根系分泌物中總Fe離子和二價(jià)Fe離子的測(cè)定

水稻育苗并更換兩次培養(yǎng)液后用自來水和蒸餾水各沖洗五次，然后放在蒸餾水的容器中培養(yǎng)24 h，則該容器中即為含有水稻根際分泌物的溶液。將這些根際分泌物分別裝在150 mL的三角瓶中，每瓶裝入140 mL，共設(shè)置 3 個(gè)對(duì)照組：NPs為 25 mg·L-1NPs；NPs+CA1 為 25 mg·L-1NPs+2.10 mg·L-1檸檬酸[未包被]，NPs+CA 為 25 mg·L-1NPs+2.10 mg·L-1檸檬酸[包被]。分別在 0、3、24、72 h和 120 h測(cè)定溶液中的總 Fe和二價(jià)Fe離子的含量。

以鄰二氮菲為顯色劑測(cè)定二價(jià)和三價(jià)Fe。具體步驟：取樣品50 mL于150 mL錐形瓶中，用鹽酸調(diào)節(jié)使水呈酸性，pH＜3，剛果紅試紙顯藍(lán)色。加熱煮沸10分鐘，冷卻后移入50 mL比色管中，加10%鹽酸羥胺溶液1 mL（測(cè)二價(jià)Fe時(shí)不加），搖勻，1min后再加0.15%鄰菲羅琳溶液2 mL，及5 mL HAc-NaAc緩沖溶液后用水稀釋至刻度。10 min后于510 nm處，以試劑空白作參比，測(cè)其吸光度，其測(cè)定值分別為二價(jià)Fe和總Fe含量，通過總Fe與二價(jià)Fe差值計(jì)算得到三價(jià)Fe含量。

1.3.4 X射線衍射儀（XRD）分析

選取 NPs、NPs+CA1、NPs+CA 3 組處理的水稻根，用蒸餾水清洗后，冷凍干燥，將部分根粉碎后在XRD下測(cè)定不同處理情況下根表鐵膜形態(tài)。XRD衍射儀（X′Pert PRO，Almelo，荷蘭）采用銅發(fā)射源，掃描速率為 0.06 °·s-1，衍射角為 10°至 80°。

1.3.5 電動(dòng)電勢(shì)以及水合粒徑大小的測(cè)定

利用激光束為632 nm的馬爾文測(cè)定儀測(cè)定懸浮樣品的電動(dòng)電勢(shì)和粒徑，樣品處理組分別為NPs、NPs+CA1和NPs+CA。

1.3.6數(shù)據(jù)分析

水稻根表鐵膜向根內(nèi)，以及根內(nèi)向地上部轉(zhuǎn)移Fe的能力用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）表示。

式中：TF根表-根內(nèi)表示鐵膜向根轉(zhuǎn)移 Fe的系數(shù)；TF根-地上部表示根向地上部轉(zhuǎn)移 Fe的系數(shù)；C鐵膜、C根、C地上分別表示鐵膜、根、地上部Fe的含量。

水稻對(duì)Fe的富集能力用富集系數(shù)（BAF）表示。

式中：BAFn分別表示根表鐵膜、根、地上部Fe的富集系數(shù)，Cn分別代表根表鐵膜、根、地上部Fe的含量，Csolution表示培養(yǎng)液中Fe的含量。

采用統(tǒng)計(jì)軟件Origin 8.5進(jìn)行繪圖，差異顯著性和相關(guān)性分析采用 IBM SPSS Statistics 20（Duncan法）進(jìn)行檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)為P<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 NPs處理?xiàng)l件下的水稻生物量

檸檬酸既是根際分泌物又常作為一種生物相容性材料覆蓋于納米材料上，改變納米材料的穩(wěn)定性，為了探究檸檬酸對(duì)NPs在水稻體內(nèi)吸收累積的影響，本研究設(shè)置了不同濃度以及不同加入方式的檸檬酸的影響效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照CK相比，2.10 mg·L-1檸檬酸包被和未包被NPs能夠顯著（P<0.05）增加根生物量（干質(zhì)量，下同）（P<0.05），而 NPs的不同處理加入均能顯著增加地上部生物量；與NPs處理相比，2.10 mg·L-1檸檬酸包被和未包被NPs均能顯著增加水稻根部生物量（P<0.05），而高濃度（8.41 mg·L-1）檸檬酸未包被NPs不能影響根部生物量（P>0.05）（圖1）。然而，與單一NPs相比，檸檬酸的加入對(duì)水稻地上部生物量影響不顯著（P>0.05）?？梢?，僅低濃度檸檬酸包被和未包被處理NPs能夠顯著增加水稻根生物量。

2.2 檸檬酸對(duì)NPs誘導(dǎo)形成水稻根表鐵膜的影響

圖2 水稻根表鐵膜分布Figure 2 The distribution of iron plaque on rice root surface

水稻為了適應(yīng)淹水條件，根系生成大量通氣組織，將大氣中的氧氣通過葉片輸送到根系，使根系具有氧化能力，在根際范圍內(nèi)形成氧化環(huán)境。因此，當(dāng)大量Fe2+存在時(shí)根際氧化條件能夠誘導(dǎo)水稻在其根表形成鐵膜。由圖2可知，CK條件下根表也能夠形成700.0 mg·kg-1鐵膜量，這是由于營(yíng)養(yǎng)液中添加了1.128 mg·L-1Fe2+的緣故。與CK相比，除了NPs+高濃度檸檬酸處理顯著降低根表鐵膜量外（P<0.05），其他NPs處理均能顯著增加根表鐵膜量（P<0.05），尤其是對(duì)晶格態(tài)鐵膜數(shù)量增加效果更為顯著（P<0.05）。結(jié)果表明，NPs存在條件下能夠誘導(dǎo)根表鐵膜的形成。而且，與單獨(dú)NPs處理相比，檸檬酸添加（未包被）能夠顯著降低鐵膜含量（P<0.05），隨著檸檬酸濃度由2.10增加到 8.41 mg·L-1，鐵膜量顯著下降。然而 2.10 mg·L-1檸檬酸包被NPs能夠顯著提高根表鐵膜含量（P<0.05）。對(duì)于所有處理而言，除了檸檬酸包被處理中晶格態(tài)膠膜占總膠膜量的58.28%外，其他處理的晶格態(tài)僅占鐵膜總量的24.88%～48.12%。

圖4 NPs的Zeta電位和水合粒徑Figure 4 Zeta potential and hydrodynamic diameter of NPs

由于根表鐵膜的形成與根際溶液中Fe2+有直接關(guān)系[16]，而NPs能夠進(jìn)行離子釋放，而且在還原性物質(zhì)存在條件下產(chǎn)生還原釋放，即釋放的三價(jià)Fe被還原為二價(jià)Fe，因此二者之間可能存在關(guān)聯(lián)。水稻根系分泌物中含有有機(jī)酸等還原性物質(zhì)，因此，根系分泌物是否對(duì)NPs的離子釋放，尤其是還原釋放過程產(chǎn)生影響，值得考慮。因此，本研究對(duì)NPs在根系分泌物中短時(shí)間內(nèi)（120 h）的Fe離子釋放進(jìn)行了測(cè)定（圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e離子的釋放量與鐵膜的形成量具有較好的一致性，尤其是與Fe2+釋放量相關(guān)性更明顯，相關(guān)性分析顯示Fe2+釋放量與根表鐵膜總量在5 min和3、24、72 h 的相關(guān)性系數(shù)分別為 0.950（P<0.05）、0.942（P<0.10）、0.935（P<0.10）、0.900（P<0.10），結(jié)果表明，檸檬酸降低根表鐵膜量可能主要是由于其降低了NPs在根系分泌物中的Fe2+釋放量。同時(shí)，對(duì)NPs的Zeta電位和水合粒徑分析（圖4）顯示，檸檬酸的加入使得NPs的Zeta電位由正值變?yōu)樨?fù)值，而且水合粒徑顯著增加（P<0.01）。已有研究報(bào)道，由于植物細(xì)胞壁的電負(fù)性，帶正電荷的NPs更容易被吸附固定在根表[17]，因此，本研究中隨著檸檬酸的加入Zeta電位變?yōu)樨?fù)值進(jìn)而可能降低NPs在根表的沉淀作用，進(jìn)而降低其根表鐵膜生成量。檸檬酸的加入和NPs水合粒徑的增加，提高了聚合沉淀的可能性進(jìn)而減弱了其向根表遷移的能力，因此有助于降低根表鐵膜生成量。然而，隨著檸檬酸對(duì)NPs的包被，其Zeta電位轉(zhuǎn)為負(fù)值以及水合粒徑增加卻反而促進(jìn)了根表鐵膜的生成量，且檸檬酸包被導(dǎo)致NPs的Zeta電位及水合粒徑的變化可能也是導(dǎo)致其離子釋放與未包被相比產(chǎn)生差異的主要原因，其具體機(jī)理還需進(jìn)一步深入探討。根據(jù)圖3的結(jié)果，3～72 h內(nèi)檸檬酸包被NPs處理?xiàng)l件下Fe2+釋放量顯著高于未加檸檬酸的NPs處理，且在72 h時(shí)達(dá)到極顯著增加水平（圖3），這導(dǎo)致了相應(yīng)形成的鐵膜量增加；除此之外，根據(jù)圖2的結(jié)果，方差分析顯示檸檬酸包被NPs極顯著地增加了晶格態(tài)鐵膜含量，但是顯著降低了無(wú)定型鐵膜含量，因此對(duì)根表鐵膜的XRD進(jìn)行分析，結(jié)果（圖5）顯示，根表鐵膜XRD圖譜中的三個(gè)處理的主峰與原始的NPs（γFe2O3）一致，表明鐵膜的晶格構(gòu)造與NPs相類似。已有研究[7，18-20]顯示，納米金屬氧化物能夠直接強(qiáng)烈地吸附在植物根表，因此，推測(cè)水稻根表增加的晶格態(tài)鐵膜可能主要來源于NPs的直接吸附沉淀作用，NPs參與了根表膜的形成，最終成為根表鐵膜的一部分。特別是NPs包被處理，可能是由于更多的NPs直接參與誘導(dǎo)形成鐵膜中晶格態(tài)組分，因而此處理?xiàng)l件下形成了更高量的鐵膜。

2.3 檸檬酸對(duì)NPs處理?xiàng)l件下水稻植株吸收累積的Fe影響

圖5 水稻根表鐵膜XRD分析Figure 5 XRD analysis of iron plaque on root surface of rice

圖6 Fe在水稻植株中的含量Figure 6 Fe contents in rice

根據(jù)圖6可知，與CK相比，除了高濃度檸檬酸顯著降低了Fe在根表以及根內(nèi)的累積，其他NPs處理均能顯著增加Fe在水稻根表、根內(nèi)以及地上部的累積。對(duì)于不同的NPs處理而言，除高濃度檸檬酸處理外，F(xiàn)e主要累積在水稻根表（1059～1623 mg·kg-1），其次為地上部（492.3～880.1 mg·kg-1），在根內(nèi)的累積量最小（145.5～226.6 mg·kg-1）；對(duì)于 8.41 mg·kg-1檸檬酸處理，F(xiàn)e主要累積在地上部（708.6 mg·kg-1），其次為根表（553.4 mg·kg-1），在根內(nèi)累積量最?。?10.4 mg·kg-1）。

檸檬酸對(duì)根系中Fe累積的影響類似于根表，其加入顯著降低了Fe在根內(nèi)累積量，且隨著檸檬酸濃度增加（從 2.10 到 8.41 mg·L-1），F(xiàn)e在根中的累積量下降（圖6）。其原因，一方面可能與檸檬酸降低了NPs的Fe離子釋放有關(guān)（圖3），無(wú)論是二價(jià)還是三價(jià)Fe離子，均能夠被水稻根系吸收累積；另一方面，與檸檬酸增加了NPs水合粒徑，并使其Zeta電位由正值變?yōu)樨?fù)值（圖4），進(jìn)而降低了NPs向根表以及根內(nèi)的遷移有關(guān)。然而，與未包被相比，檸檬酸包被NPs能夠顯著緩解根系Fe累積量的下降（圖6）。與之相反，檸檬酸的加入顯著增加了Fe在水稻地上部的累積，但是隨著檸檬酸濃度的增加，這種增加作用減緩；與未包被相比，檸檬酸包被NPs更能夠促進(jìn)Fe在地上部的累積。上述結(jié)果顯示，檸檬酸的加入能夠顯著降低Fe在根表和根中的累積，但是增加了Fe在地上部的累積。然而，檸檬酸包被NPs處理?xiàng)l件下能夠增加Fe在根表和植株地上部的累積，但降低Fe在根系中的累積。

2.4 檸檬酸對(duì)NPs處理?xiàng)l件下Fe在水稻植株中轉(zhuǎn)移和富集的影響

表1顯示，不同NPs處理?xiàng)l件下，F(xiàn)e從根到地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)（2.173～6.418）遠(yuǎn)高于Fe從根表到根內(nèi)的遷移系數(shù)（0.102～0.200）。與單一NPs相比，低濃度檸檬酸的包被與未包被NPs處理均能顯著（P<0.05）降低Fe從根表到根內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，然而高濃度檸檬酸能夠顯著（P<0.05）增加Fe從根表到根內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。對(duì)于從根到地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)，檸檬酸的加入均顯著增加（P<0.05）了Fe從根到地上部的轉(zhuǎn)移，其順序?yàn)镹Ps+CA2>NPs+CA1>NPs+CA>NPs，結(jié)果顯示，隨著檸檬酸濃度的增加，F(xiàn)e從根到地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著增加；且檸檬酸未包被處理對(duì)Fe轉(zhuǎn)移的影響顯著高于檸檬酸包被處理?？傊?，低濃度檸檬酸（包被和未包被NPs處理）能夠減弱Fe從根表向根內(nèi)的轉(zhuǎn)移，但是增強(qiáng)了Fe從根向地上部的轉(zhuǎn)移。

不同NPs處理?xiàng)l件下Fe在水稻根表、根內(nèi)和地上部的富集系數(shù)（表1）均高于4，顯示了Fe在水稻植株不同部位均存在富集現(xiàn)象，除高濃度檸檬酸處理外，富集系數(shù)大小順序?yàn)?BAF根表>BAF地上部>BAF根內(nèi)，與Fe在水稻植株不同部位的累積量一致。

表1 NPs處理?xiàng)l件下Fe在水稻中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）和富集系數(shù)（BAF）Table 1 The translocation factors and bio-accumulation factors of Fe in rice after NPs exposure

3 結(jié)論

（1）NPs能夠誘導(dǎo)水稻根表鐵膜形成。但是檸檬酸的加入降低了鐵膜形成量，隨著檸檬酸濃度增加，鐵膜量下降，其主要原因是檸檬酸通過降低NPs的Fe2+釋放量來減少根表鐵膜生成。然而，與未包被NPs相比，2.10 mg·L-1檸檬酸包被NPs能夠顯著提高根表鐵膜形成量，這是由于包被處理一方面促進(jìn)了NPs的Fe2+釋放量，另一方面使NPs直接吸附在根表參與鐵膜形成。

（2）除檸檬酸包被NPs處理外，根表鐵膜均以無(wú)定型為主，晶格態(tài)僅占鐵膜總量的24.88%～48.12%。鐵膜中的晶格態(tài)組分構(gòu)造與NPs類似，可能主要來源于NPs的直接吸附沉淀進(jìn)而成為根表鐵膜的一部分。

（3）檸檬酸的加入顯著降低Fe在根表和根內(nèi)累積，但是增加了Fe在地上部的累積。然而，檸檬酸包被NPs處理能夠增加Fe在根表和植株地上部的累積，但降低Fe在根內(nèi)的累積。

（4）2.10 mg·L-1檸檬酸（包被和未包被NPs處理）能夠減弱Fe從根表向根內(nèi)的轉(zhuǎn)移，但是增強(qiáng)Fe從根向地上部的轉(zhuǎn)移。不同NPs處理?xiàng)l件下，F(xiàn)e在水稻植株不同部位均存在富集現(xiàn)象，根表和地上部的富集系數(shù)顯著高于根內(nèi)。

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The effect of citric acid on iron plaque formation on root surface and iron uptake/translocation in rice after γFe2O3NPs exposure

HU Lu1,2,CHEN Qi1,2,LI Yun-xia1,2,YAN Da-fang1,2,BAO Yan-yu1,2*
（1.Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria at Ministry of Education,College of Environmental Science and Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China;2.Tianjin Key Laboratory of Remediation&Pollution Control for Urban Ecological Environment,Tianjin 300350,China）

The aim of this study was to identify the effect of citric acid on iron plaque formation on the root surface of rice,and iron uptake and translocation after exposure to γFe2O3nanoparticles（NPs）in a hydroponic culture experiment.The results showed that the addition of citric acid（low concentration or uncoated NPs）greatly increased the biomass of roots,but not to that of aboveground rice,compared with the single Fe2O3NPs treatment.Fe2O3NPs exposure induced iron plaque formation on root surfaces of rice.However,the presence of citric acid decreased the amount of iron plaque,which could have been caused by low Fe2+dissolution from Fe2O3NPs in the presence of citric acid.Also,citric acid（2.10 mg·L-1）coated NPs promoted iron plaque formation.Iron plaque was mainly comprised of amorphous fractions,except in the citric acid-coated treatment.The crystal fraction was only 24.88%～48.12%of the total amount of iron plaque.As the crystalfraction was consistent with that of NPs from the XRD analysis,it was speculated that the crystal fraction could come mainly from the direct adsorption precipitation of NPs,and then as iron plaque components.The addition of citric acid significantly decreased iron accumulation on the root surface and in the root,but significantly increased the accumulation in the aboveground parts.However,the citric acid-coated NPs treatment increased the accumulation of iron on the root surface and in the shoot,and decreased the accumulation in the root.Low concentration of citric acid（2.10 mg·L-1,coated and uncoated NPs）decreased iron translocation from the root surface to the root,and increased the translocation from the root to aboveground parts.Iron enrichment was found in all NPs treatments,and the enrichment factors on the root surface and in aboveground parts were significantly higher than in the root.

Fe2O3NPs;rice;iron plaque;uptake;translocation

S511

A

1672-2043（2017）11-2185-08

10.11654/jaes.2017-0118

胡 露,陳 奇,李云霞,等.檸檬酸對(duì)納米氧化鐵誘導(dǎo)水稻根表鐵膜形成及對(duì)水稻鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（11）：2185-2192.

HU Lu,CHEN Qi,LI Yun-xia,et al.The effect of citric acid on iron plaque formation on root surface and iron uptake/translocation in rice after γFe2O3NPs exposure[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（11）:2185-2192.

2017－01－21 錄用日期：2017-08-23

胡 露（1991—），女，湖南婁底人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦臀廴疚锔H微界面?zhèn)鬏?。E-mail：954267105@qq.com

*通信作者：鮑艷宇 E-mail：baoyanyu@nankai.edu.cn

天津市自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（16JCZDJC39200）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目

Project supported：The Natural Foundation of Tianjin，China（16JCZDJC39200）；The Fundamental Research Funds for the Central Universities