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Effect of gamma;Fe2O3 nanoparticles on photosynthetic characteristic of soybean (Glycine max (L.) Merr.): foliar spray versus soil amendment

Darioush Alidoust bull; Akihiro Isoda

gamma;纳米氧化铁对大豆光合作用的影响：叶面喷施与土壤改良剂

摘要：目前迫切需要解决的使用纳米氧化铁的相关、全面的生物安全问题。本研究是进行大豆发芽过程，调查的6纳米氧化铁和柠檬酸涂层纳米氧化铁对光合特性及根伸长的影响以及植物生理性能叶面和土壤处理后的评估。观察在纳米氧化铁应用后大豆的任何生长阶段没有不良影响。所述的氧化铁纳米颗粒所产生的根伸长是显著积极的效果，特别是当相对于本体的对应浓度高于500毫克每升的悬浮液。此外，在八枳叶期喷洒叶面时柠檬酸涂层纳米氧化铁显著增强光合参数。光合速率的增加归因于气孔开放，而不是增加二氧化碳吸收活性。我们通过叶面喷施观察纳米氧化铁的积极影响大于土壤处理。这项研究的结论是，柠檬酸涂层纳米氧化铁在纳米氧化铁为1柠檬酸为3时的摩尔比能明显改善不溶性的氧化铁为叶面施肥的效果。

关键词：纳米氧化铁，叶面修正，光合特性，根际土壤，黄豆

引言：纳米技术包括纳米粒子的合成，纳米材料的加工等。纳米材料的物理和化学性质与那些相同组成的块体材料的显著不同。它们具有大的比表面积和原子的相当大的比例可用于化学反应。各种研究报告都说明了纳米粒子对种子发芽和根伸长植物正面和的负面影响。据记载，银，金，钴和氧化锌纳米颗粒具有对种子发芽和洋葱，黄瓜的根伸长，和生菜的高抑制作用。表明，二氧化钛纳米颗粒具有对柳树屑蒸腾，生长以及其中的水利用效率具有显著的毒性作用。另一方面，发现多壁碳纳米管和纳米二氧化钛以适当的浓度，可以加速发芽和番茄和老化的菠菜种子活力。结论是，除了施加氧化铁磁性纳米粒子的土壤中可能会刺激细菌生长，改变细菌群落结构，这有利于土壤碳和氮循环。大多数这些研究的重点都集中在对作物或高等植物纳米颗粒的毒性和抑制作用。对于氧化铁，包括磁铁矿铁和磁赤铁矿，以及自然发生的各种环境资源，如火山爆发和火灾产生的纳米晶体，它们似乎是有关联的。主要关注的是米氧化铁增加对人类和生态系统的影响，特别是当它们的表面涂有生物相容的材料影响会更大。氧化铁纳米颗粒具有附聚和低溶解度的特性，由于重力可导致沉淀。因此，为了有效地使用，并改善生物相容性，市售纳米氧化铁可以是表面涂覆有材料例如硅，葡聚糖，柠檬酸盐和聚乙二醇化的淀粉。几项研究已经调查了不同类型纳米氧化铁的细胞毒性，并已普遍发现暴露水平在小于100 克每毫升对人体具有很小或没有细胞毒性。在选择将用于表面涂层材料时，应考虑很多因素，如稳定性，生物相容性，生物降解性，必须考虑到充分预测它们的细胞相互作用和吸收机制。柠檬酸涂层纳米氧化铁已显示导致鼠巨噬细胞的氧化应激，而不会引起任何细胞毒性作用。然而，据我们所知，有关于纳米氧化铁和表面包覆纳米氧化铁对盆栽效果还没有具体的研究。此外，纳米氧化铁对光合作用的影响还有待证明。所以我进行本研究以调查纳米氧化铁和柠檬酸涂层纳米氧化铁对大豆根伸长和光合特性的影响。两种施加方法，叶面喷施和直接的土壤改良剂，进行了检查，并他们的影响进行了评估。该纳米氧化铁的微米大小的影响也进行了评价，并与纳米氧化铁比较。我们使用柠檬酸作为包衣剂，因为它是在大多数植物中发现，并提供了生物相容的天然存在的螯合剂。在收获时，分馏根际和非根际土壤进行取样，以确定响应于各种处理中的pH值根诱导的变化。

材料和方法

氧化铁纳米颗粒：

99.9％纯度的纳米氧化铁由制造商提供数据，所述纳米颗粒具有磁赤铁矿的晶相，具体180克每平方米的表面积，和5.25克每立方厘米的真密度。还有微尺寸的氧化铁颗粒。在40倍放大倍率的光学显微镜中用校准针对阶段微米来测量颗粒大小。堆积氧化铁具有大约1-2微米的平均粒度。

种子发芽：

大豆种子浸泡在10％的次氯酸钠溶液中10分钟，以确保表面无菌，然后用去离子水冲洗三次。将种子置于140毫米培养皿中，每个培养皿按各浓度要求加入50， 100，250，500，1000，或2000毫克每升纳米氧化铁。在每个培养皿保持每个种子之间的适当距离。对照组只加入去离子水，皮氏培养皿（三次重复）覆盖并用胶带密封并置于培养箱中。之后保持在室温下的黑暗条件下放置5天，种子萌发被终止并测量幼苗自由基。

盆栽试验：

对于盆栽试验的土壤是从表层收集。新鲜的土壤是通过一个2毫米筛网筛分，并在使用前储存待用。试验是在一式三份在自然光条件下、温室中进行。土壤含水量和储水。

在实验前使用希尔加德方法测定容量。三份大豆种子种植在每个盆栽内。幼苗1周发芽后变成一个蓬勃的植物。将盆定期称重和测量水分变化。盆栽试验总共用了8周时间。共有九组进行处理，以评估叶面施用和土壤改良剂：来比对纳米氧化铁和柠檬酸涂层的纳米氧化铁以及各浓度之间的效果。叶面喷施在两种生长阶段，四和八叶阶段，在正面和背面的叶面上用手动喷雾器进行，直至溶液均匀;这个方法是模仿领域喷涂技术。治疗溶液在早晨6和7点之间施加到试验植物。为了便于叶面浸润，整个植物用蒸馏水喷雾每10小时喷一次，以避免溶液和上叶表面溶质随后沉淀的蒸发。之后对一周各叶面喷施后的光合特性，二氧化碳同化率，气孔导度，胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率进行分析。

叶绿素测量：

对叶绿素进行测定，考虑到叶异质性，每个处理测量前都从三叶叶子在不同的位置拍摄。测量取叶的中间部分，中央静脉和叶片边缘之间。

根际土壤取样：

收获时，对土壤系统进行区分散装处理，包括根际和根面土壤。根区土壤中分离的方法是基于机械去除根秉承土壤团聚体。将根片段小心地从锅中捞起，并轻轻摇动。通过吸收的敷料（1毫米筛孔）筛选根段几乎所有的土壤团聚体。通过1毫米的筛子使土壤均匀混合，并取样作为批量土壤级分。秉承土壤团聚体到根系然后放置于玻璃板上。然后，通过使用镊子和手术刀，将大于5mm土壤团粒固定并调节到在厚度为5毫米处根表面。这个过程要避免根际土壤的任何稀释。对土壤（含根段）聚集在1毫米的土壤团进行类似的处理。然后用解剖刀小心进行采样，附着土壤组成的小于1毫米的程度。

柠檬酸稳定纳米氧化铁：

鉴于在工厂反应柠檬酸变化较大所以用柠檬酸涂层的纳米氧化铁要确定柠檬酸组分的最佳浓度这是至关重要的，以建立纳米氧化铁和柠檬酸的适当的摩尔比。评价植物对柠檬酸的剂量反应，研究了柠檬酸在20、40、80和120毫米的浓度，应用于土壤和叶面喷洒。对大豆进行了柠檬酸对大豆的剂量反应评估，并观察了三个连续天的毒性症状。120毫米柠檬酸叶面喷施对植物在叶片表面造成了白色小斑点，然后3天内快速干燥，整个叶片坏死。八十毫摩尔柠檬酸亚也是致死剂量。症状包括卷曲的叶缘损伤和棕色的干燥叶片组织剂量。叶面喷施40毫米柠檬酸没有严重伤害植物，大豆可恢复正常。试验植物叶片上出现白斑为主要症状。土壤改良的柠檬酸在40毫米浓度以上会引起叶片表面的棕色斑点。用于研究的土壤是具有高浓度的铁和铝的腐殖质暗色土。柠檬酸具有较强的络合铁和铝的亲和力，从而增强了这些金属离子在土壤中的活化作用。这可以促进他们的吸收和转运到拍摄。铁，特别是铝的浓度是显着增高会导致毒害作用，修订的配位剂应仔细调整，以达到铝毒害的最低水平。总的来说，在浓度为20 mM柠檬酸为铁氧化物涂层最为适合，因为我们没有在这个浓度观察任何迹象的药害。

在目前的研究中未稳定的方法是基于kotsmar等人的工作。简要的纳米氧化铁（500和1000 mg）混合20 mmol/L柠檬酸（3.84克柠檬酸1000毫升蒸馏水），在90℃搅拌90分钟。因此，铁：柠檬酸的摩尔比为1:3时用于研究最好。对溶液的pH值进行处理调节pH至5，用0.01 M的NaOH或HCl。在这个PH值，至少2个羧基的柠檬酸分子解离，形成一个羧酸酯复合物的粒子表面的铁原子。其他涂层纳米氧化铁也使用这种处理方式。

统计分析：

数据采用单因素方差分析（ANOVA），统计分析采用SPSS 15软件，对各处理的平均值相比，在P= 0.05置信水平采用Tukey检验。每一个处理进行三次重复。

结果

纳米氧化铁对根伸长的影响：

纳米氧化铁对大豆根伸长在七种浓度范围从50到2000 毫克每升的影响如图1所示。根在所有浓度中都不受影响。纳米粒子的毒性通常是随悬浮液浓度的增加而增加。然而，在目前的研究中，没有迹象表明大豆生长抑制的种子阶段。在纳米氧化铁的存在下，根长增加6，8，19，27，37，和40%在50，100，250，500，1000，和2000 毫克每升，分别对照。大豆根系暴露于在500，1000，和2000 毫克每升显示增长率显著高于对照组（P 0.05）。其他浓度无显著差异，

在这些结果的基础上，使用纳米氧化铁浓度500和1000 毫克每升作为进一步实验的剂量。当对大豆根伸长效果进行检查，在最高浓度甚至观察到只有16%根长度的增加，这种效应不显著。250、500、1000和2000 毫克每升 纳米氧化铁根的伸长值均明显高于暴露纳米氧化铁的伸长值；然而，值有统计学意义只在1000和2000 毫克每升。

纳米氧化铁对光合参数的影响：

纳米氧化铁和氧化铁（有或没有柠檬酸涂层）对盆栽大豆植株的光合特性两种施加方式下（叶面和土壤处理）的效果显示在表1，2和3。在四叶期叶面喷施处理，首先，与对照组相比，无论是种类和浓度导致光合活性的变化，表明纳米氧化铁对不为一年生植物的有害影响。纳米氧化铁在浓度为500毫克每升引起的净光合速率和气孔导度（分别为6和20%）略有增加，但是，这些影响并没有统计学意义。在一般情况下，蒸腾速率没有显着不同的控制植物。其他处理在统计学上没有差异。在八叶期的叶面喷雾，所有处理都提高了净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。然而，柠檬酸涂层的纳米氧化铁在500和1000 mg L- 1浓度的净光合速率与对照组相比显著增加（24和32%，分别）。柠檬酸涂层的氧化铁也提高净光合速率的浓度，虽然涨幅很少。同样，在1000 毫克每升的氧化铁叶面喷施后观察到的净光合速率显著增加30%。发现纳米氧化铁和氧化铁之间无显著性差异。同样，无论是气孔导度和蒸腾速率均未表现出任何显着的差异。

分根区土壤的影响

表4是纳米氧化铁和氧化铁对分根区土壤ph的影响。大豆根系酸化根际土壤和根表相比，具有0.1个pH单位的定量变化。相反，在500或1000毫克的氧化铁没有酸化根表土壤pH值、碱化ph。轻微酸化发生时氧化铁涂上柠檬酸的500毫克处理后有更大的变化。此外，观察到小于0.1个PH值的变化。在一般情况下，低pH值的土壤根际和根面相比，在体积、pH值的后根际和根区土壤成分的差异，无统计学意义。

植物的生长

无生长抑制处理过的植物是说明了地上部干重显著增加，用纳米氧化铁（带或不带柠檬酸涂层）作为对照（见表4）。相反，地上部干重与氧化铁无显著性差异。新梢生长影响最大的是柠檬酸涂覆纳米氧化铁的浓度为500毫克每升，明显高于柠檬酸包覆氧化铁其他浓度。

讨论

许多科学家关注纳米材料及其潜在的环境风险和毒性影响的研究。到目前为止，一些研究已经说明了这两种纳米材料的正面和负面的影响，特别强调其对生物系统的生长抑制作用。作物植株叶片光合特性的测定也提供了信息，有关作物产量的影响。大部分的20 mmol/L柠檬酸涂层的纳米氧化铁测得的大豆根伸长开始于四和八的三叶形叶期和开花期。调查的治疗策略包括叶面喷雾和土壤改良。在目前的研究中测试的纳米材料没有表现出对作物的毒性。目前的研究表明，在一定的摩尔比柠檬酸涂覆纳米氧化铁可以对大豆生长起促进作用。对大豆根伸长纳米氧化铁的积极作用是显而易见的。氧化铁纳米粒子显著对根伸长具有积极作用，特别是氧化铁悬浮液在浓度高于500毫克每升。这一发现可能归因于三个不同的过程：（1）纳米氧化铁在悬浮液中的溶解度越大；（2）较高的比表面积有利于种子的种皮渗透；（3）铁分子具有更大的生物利用度。考虑到高表面积，我们测试了纳米氧化铁非常小的颗粒尺寸（6纳米），可以预见，纳米氧化铁被种皮吸收的程度以及自由基的速度比氧化铁要好。这一结果表明，作用可能主要是纳米氧化铁而不是由于铁的溶解。而且纳米氧化铁在溶解动力学更有利。我们进一步的研究表明，大豆植物生长2周的霍格兰溶液含有500和1000 毫克每升根未产生显著增加，茎叶重、叶面积和叶片SPAD值与对照相比，增加更显著，在1000毫克每升种植南瓜和大棉豆植物水培的磁铁矿纳米粒子悬浮液导致南瓜植物组织产生磁信号，而在大棉豆没有检测到信号，说明不同植物物种可能有纳米颗粒的不同反应。目前的结果表明，同科植物（即大棉豆和大豆）可能有不同的反应，在毒性试验中，通过控制剂量来防止纳米氧化铁沉积是很重要的。我们观察到，20 mmol/L柠檬酸涂覆纳米氧化铁抑制种子萌发和水培植物生长。得出的主要结论是，这是归因于20 mmol/L柠檬酸而不是因为纳米氧化铁，因为柠檬酸包覆氧化铁和柠檬酸溶液浓度相同时，得到了同样的结果。在一个运行8周的盆栽试验，对两种不同的施加方式的影响，叶面和土壤改良，氧化铁（带或不带柠檬酸涂层）对大豆叶片光合参数的影响。我们没有观察到任何叶面的毒性症状或光合作用的抑制。相反，在所有处理对植物代谢还有一些积极的影响。铁是植物必需的营养元素。它的功能是接受和给予电子，并在光合作用和呼吸的电子传递链中扮演着重要的角色。光合作用的一个重要部位就是叶绿体。叶面施肥可以保持良好的营养状况。不同化学形式的铁对增强植物叶片光合作用的影响已被证明。已经认识到，通过叶面施加的铁化合物的渗透可以发生通过角质层的裂缝和缺陷，通过气孔，叶毛，

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