当纳米遇到植物

前段时间，一些城市出现了严重的雾霾天气，这种雾霾天气主要是由悬浮在空气中的粉尘颗粒造成的。PM2.5是衡量空气质量的重要标准，比PM2.5还小的纳米颗粒也同样引人注目。纳米颗粒是指直径介于1～100纳米的天然或人工材料，显然要比PM2.5小很多（1微米=1000纳米）。我们的生活环境中充斥着海量的纳米粒子，如空气中的细微颗粒，洗澡时的泡沫和水花，课本、衣服、鞋子、手机和笔记本上的粉尘等。有意思的是，有人在燃烧的蜡烛火焰中捕捉到了大量的“纳米钻石”（直径1～10纳米的钻石结晶体），据估计一个蜡烛火焰每秒钟大约可以产生150万颗纳米钻石。

　　纳米材料已经完全融入了人类的生产生活中，如一些化妆品就掺有光催化剂（一种基础纳米材料），可以用来避免紫外线辐射；改进的纳米车窗玻璃可以防止凝结水；碳纳米管集结的绳索比钢筋还要结实；科学家也一直尝试使用纳米颗粒负载药物用于癌症和艾滋病的治疗。这些纳米技术带给人们惊喜的同时，也带来了改善生活的可能。但纳米材料完全是“天使”吗？凡事都有两面性，纳米材料也不例外。前不久，有人发现纳米铝颗粒可以增强致病菌的耐药性。听到这个消息，人们在使用纳米材料制成的产品时或许要做更加周全的考虑了。

　　一个不争的事实是，纳米颗粒进入生态系统及人类生活环境的量越来越大，种类也在逐渐增多，这些纳米颗粒都或多或少会对负载它的生物体产生影响。在对动物影响的研究中，科学家发现纳米材料具有一定的神经毒害作用，对不同的器官有不同的毒害形式，且决定于剂量和作用时间。纳米材料除了对动物或人体产生安全风险，对植物也有影响。

　　研究纳米对植物生长的影响才刚刚起步，而可以预期的是，纳米颗粒对植物乃至生态系统都会有不同程度的影响。纳米和植物有着微妙的关系，有时你会发现它们“互利共生”，而有时它们又显得“水火不容”。

　　纳米与植物的微妙关系

　　最初，人们主要想知道如果纳米材料进入水体和生态环境，会对植物的生长造成什么样的影响。人们首先关注的是对种子萌发率的影响，如：发现中等浓度的纳米二氧化钛可以促进一些种子的萌发，而对另外一些种子则没有作用；纳米材料对种子萌发的影响与纳米颗粒的性质有关。有科学家证实纳米锌颗粒和纳米氧化锌能显著抑制黑麦和油菜的种子萌发，对玉米、黄瓜等的根长也有显著抑制作用。与此同时，另一些科学家却

　　发现纳米二氧化钛可以增强菠菜的光合作用，且证实与它的光催化活性密切相关。中国农业科学院的研究者也发现在黄瓜叶面上喷施0.35%的纳米二氧化钛半导体溶胶可显著降低叶片病斑面积、发病率，并对叶绿素和胡萝卜素的合成具有促进作用。

　　而中国海洋大学的研究者发现纳米二氧化钛对短裸甲藻的生长具有抑制作用，且主要是增加了短裸甲藻体内的羟自由基。这些看似矛盾的研究说明了纳米颗粒的生物学效应与颗粒的性质（表面修饰程度、大小、直径等）及植物材料是密切联系的，与生长周期和施用方式也有关系。如浙江师范大学近期的研究发现，直径6.22纳米的二氧化钛颗粒降低了长序榆幼苗的光合作用，对叶肉细胞产生了毒害，光照在一定程度上决定了纳米材料的伤害程度。进一步的研究发现，纳米二氧化钛没有影响到叶片氮的合成，植物体内积累的一些糖类和脂类物质是应对纳米毒害的机制。

　　碳纳米管与植物

　　目前，科学界对碳纳米管材料与植物相互作用的研究较为深入。2009年美国阿肯色大学小石城分校的科学家发现，多壁碳纳米管能够进入番茄的种子细胞中，促进种子的萌发和幼苗的生长速率。随后他们证明多壁碳纳米管也能促进烟草的生长。

　　当然，纳米材料如果影响到了植物生长的表观生理，那么这种影响肯定是牵涉到众多生理过程的。科学家使用光声光热技术发现了碳纳米管在植物体内的积聚，碳纳米管从根进入到了叶片，从而影响了包括光合作用、呼吸作用和蒸腾作用在内的重要生理代谢过程。纳米材料的生物学效应与其表面性质密切相关，如有人证实水溶性的碳纳米管能够促进鹰嘴豆的生长，而量子点修饰（一种表面修饰纳米粒子的技术）的多壁碳纳米管却不利于番茄的生长。有些多壁碳纳米管能够诱导植物根部细胞染色体畸变、DNA片段化和细胞凋亡，而有些却能显著改善植物的生长调节能力，如科学家观测了两种不同粒径的碳纳米管对5种植物生长的影响，发现碳纳米管能够促进种子萌发和根的伸长，10纳米的碳纳米管可以减轻污水淤泥对植物生长的毒害，而60纳米的碳纳米管则会加重其毒害。

　　金属纳米材料的直径效应更明显，如纳米二氧化钛溶液对黄瓜幼苗的发芽与生长随着纳米粒径的减小抑制作用也就越明显，植物体内会富集更多的金属钛。西葫芦幼苗暴露在银纳米颗粒的溶液中可吸收4.7倍于银溶液的银含量，而在银纳米溶液中植株的生物量（是衡量生长能力和潜力的指标）和蒸腾能力下降幅度更大。这都说明粒径的大小或者纳米材料的性质在某种程度上决定了其生物学效应。

　　目前人们对纳米和植物相互作用关系的研究相对还是比较少的，总结出一般的规律还为时尚早。但纳米材料对植物体的毒害以及植物对纳米材料能够运转已经得到证实，同时有人认为一些纳米材料或许可以帮助植物生产更多的生物量，解决粮食和能源问题，但具体实施还需要谨慎。近期，韩国庆熙大学的研究人员发现在人造微型生态系统中，纳米二氧化钛颗粒和纳米管具有生物浓缩效应，如他们发现实验进行到第17天时，植物和动物体内均检测到了金属钛。但由于试验周期短，且没有区分金属钛是生物富集作用导致的还是直接吸收的，所以二氧化钛纳米颗粒和纳米管的生物放大效应并没有得到证明。

　　20世纪后半叶，曾经为防治农业病虫害和减轻疟疾伤寒等疾病而广泛使用的滴滴涕（DDT）由于对环境污染严重、不容易降解被各国政府禁用，而在刚刚过去的二战时期它曾是那么受人推崇。纳米材料是否会成为下一个DDT？人类掌握着打开潘多拉盒子的钥匙。纳米材料是否会在植物体内富集是一个必须要弄清楚的科学问题，因为我们的粮食生产和生态系统的健康运转都是依赖于植物的良好生长，如果纳米材料会在“植物-动物-人类”的食物链上有生物放大效应，那么很多所谓的纳米技术的推广和试用都将埋下隐患。