二氧化钛纳米溶胶对空气污染胁迫下海芋生理特性及环境效应分析

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摘要：为了探讨纳米材料对空气污染胁迫下植物生理响应及环境效应的调节作用，以海芋［Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．）Ｓｃｈｏｔｔ］为试验材料，研究了纳米材料对城市绿化植物的抗逆性、光合作用等生理指标及净化污染空气效应的影响；研究了二氧化钛纳米溶胶对模拟酸雨胁迫下叶片叶绿素相对含量、光合作用日变化以及叶绿素荧光特性等的影响。结果表明，海芋具备一定的净化尾气污染能力。二氧化钛纳米溶胶预处理（０．２％～０．８％）后，能有效提高海芋在改善环境空气质量中的评价指数，减少空气的含菌量。同时，纳米材料处理能减轻污染空气下的植物叶片细胞质膜透性，降低膜脂过氧化水平，增加叶绿素含量，从而提高叶片的抗逆性。在空气污染胁迫下，海芋叶片的“光合午休”现象加重，日均净光合速率（Ｐｎ）、气孔导度（Ｇｓ）和蒸腾速率（Ｔｒ）均明显降低，而细胞间隙ＣＯ２浓度（Ｃｉ）增大；经过纳米材料预处理后，Ｐｎ、Ｇｓ和Ｔｒ能不同程度地增加，而Ｃｉ降低，其中以０．４％浓度预处理下的效果最好；可见二氧化钛溶胶预处理能够不同程度地缓解空气污染胁迫下非气孔因素引起的海芋叶片光合速率的下降，降低对光合系统的破坏作用，提高胁迫下的光合能力。试验同时对纳米光触媒与植物触媒交互作用的机理进行了初步探讨。

关键词：纳米材料；二氧化钛溶胶；海芋；生理特性；空气污染

中图分类号：ＴＢ３８３；Ｓ６８２．３６；Ｑ９４５．７８ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０11）08－1628-06

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ＴｉＯ２ Ｎａｎｏｓｏｌ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ under Urban Air Pollution Conditions

ＮＩＥ Ｌｅｉ１，２

（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０５， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｇａｒｄｅｎｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０５， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＴｉＯ２ ｓｏｌ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｎ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｌａｎｔ Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．） Ｓｃｈｏｔｔ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ Ａ． ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ ｃｏｕｌｄ ｐｕｒｉｆｙ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｏｆｆ－ｇａｓｅｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ． ＴｉＯ２ ｓｏｌ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐｌａｎｔ． Mｅａｎｗｈｉｌｅ， ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｅｎｒｉｃｈ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｒｅｄｕｃｅ ｃｙｔｏｐｌａｓｍ ｍｅｍｂｒａｎｅ permeability， ｄｅｃｒｅａｓｅ ｌｉｐｉｄ ｐｅｒｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｕｎｄｅｒ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， and ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｍｉｄｄａｙ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ of leaf aggrawated． Ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ａｖｅｒａｇｅ ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ （Ｐｎ）， ｓｔｏｍａｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ（Ｇｓ） ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ （Ｔｒ） ｗｅｒｅ ａｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ； ｗｈｉｌｅ ｉｎｔｅｒｃｅｌｌｕｌａｒ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ （Ｃｉ） ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｂｙ ｔｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＴｉＯ２ ｓｏｌ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（０．２％～０．８％），Ｐｎ，Ｇｓ ａｎｄ Ｔｒ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｔｅｎｔ； ｗｈｉｌｅ Ｃｉ ｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ in ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ of ０．４％ ＴｉＯ２ sol ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ photocatalyst ａｎｄ ｐｈｙｔｏｃａｔａｌｙｓｔ ｏｎ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ； ＴｉＯ２ ｓｏｌ； Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．）Ｓｃｈｏｔｔ； ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ

近年来，我国部分地区如珠江三角洲等地，区域性大气污染问题日益凸显，在城市空气污染日趋严重情况下，城市绿化植物的生长状况普遍较差，不但难以发挥净化环境的功效，而且自身也无法生存［１］。自１９７２年本田－藤岛效应发现以来，以二氧化钛（ＴｉＯ２）为代表的光半导体材料的应用研究，已经取得了突破性的进展。研究表明，纳米级的ＴｉＯ２半导体颗粒表面在光激发状态所生成的超氧阴离子和氢氧自由基等活性氧类物质，具有很强的光氧化活性，已经被广泛应用于空气净化、水处理、环境卫生与保护、杀菌消毒、农产品贮藏与保鲜、建筑等技术领域［２］。然而，有关纳米ＴｉＯ２光半导体材料对植物生理、包括光合作用影响方面的国内外文献报道较少。本文通过在城市绿地植物上应用纳米ＴｉＯ２溶胶试验，探讨了纳米材料对城市绿化植物海芋［Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．）Ｓｃｈｏｔｔ］的光合作用等生理特性及净化污染空气效应的影响，以期为纳米ＴｉＯ２半导体材料在城市绿化植物的应用提供理论依据和技术参考。

１材料与方法

１．１样地概况

于２００９年６～７月，在广州市广园快速路旁的广州市园林科学研究所苗圃（Ｅ １１３°１６′２７″，Ｎ ２３°０９′４４″）选择样地，样地环境空气污染严重，污染类型为尾气污染，主要污染物为氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳、铅等。

１．２材料

供试材料为天南星科（Ａｒａｃｅａｅ）海芋属［Ａｌｏｃａｓｉａ（Ｓｃｈｏｔｔ）Ｇ． Ｄｏｎ］的海芋，苗龄约２年，以盆栽形式种植，常规水肥管理，分别放置在广园快速路旁（＜５ ｍ）及距离道路较远（＞１００ ｍ）、环境良好的大棚内培养，时间在３个月以上。纳米ＴｉＯ２光半导体材料系采用日本光钛子株式会社生产的Ｐｏｎａｔｉｏｎ锐钛矿型二氧化钛溶胶，其纳米二氧化钛含量为１．５％，锐钛晶含量≥９９％，纳米二氧化钛粒径小于５ ｎｍ，ｐＨ值在２～３之间，外观为蓝色半透明溶胶，对人畜安全无害、无腐蚀性，具有良好的成膜和附着性能。

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１．３试验设计

试验在样地上设置８种处理，分别是Ｄ０（大棚环境内海芋叶面喷施清水，作为大棚对照）、Ｄ１（大棚环境内海芋叶面喷施０．２％纳米ＴｉＯ２溶胶）、Ｄ２（大棚内海芋叶面喷施０．４％纳米ＴｉＯ２溶胶）、Ｄ３（大棚内海芋叶面喷施０．８％纳米ＴｉＯ２溶胶）和Ｌ０（路旁环境的海芋叶面喷施清水，作为路旁对照）、Ｌ１（路旁环境的海芋叶面喷施０．２％纳米ＴｉＯ２溶胶）、Ｌ２（路旁海芋叶面喷施０．４％纳米ＴｉＯ２溶胶）、Ｌ３（路旁海芋叶面喷施０．８％纳米ＴｉＯ２溶胶）。每处理设置２０盆海芋，用去离子水分别配制不同浓度（０．２％～０．８％，ｐＨ值６．２～６．４）的纳米ＴｉＯ２溶胶溶液，现用现配。于２００９年６月２３～２５日连续３ ｄ，在当日的１７∶００左右，对植物材料采用喷雾器进行叶面喷施，每次均喷至叶片滴液为度，每盆每次喷洒量为５００ ｍＬ，对照喷施等量的去离子水。

１．４测定方法

１．４．１部分植物生理指标测定叶片光合色素含量按照文献［３］的方法测定；叶片丙二醛（ＭＤＡ）含量的测定采用硫代巴比妥酸法［４］测定；细胞膜透性用相对电导率表示，采用电极法［３］测定；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法［５］测定。

１．４．２光合作用日进程的测定纳米ＴｉＯ２溶胶处理结束后的第三天（晴天），对试验标记的叶片进行测定，采用美国Ｌｉ－ＣＯＲ６４００便携式光合测量系统的标准叶室，在自然条件下测定标记范围内上数第三片叶的净光合速率（Ｐｎ）、大气ＣＯ２浓度（Ｃａ）、细胞间隙ＣＯ２浓度（Ｃｉ）、气孔限制值（Ｌｓ，为１-Ｃｉ／Ｃａ计算所得）、蒸腾速率（Ｔｒ）、气孔导度（Ｇｓ）等光合指标。测定时间为８∶００～１８∶００，每隔２ ｈ测定１次，连续测定３ ｄ。

１．４．３环境空气质量评价指数的测定采用ＤＬＹ－３型空气离子测定仪测定群落环境空气中的正、负离子浓度，参照日本空气净化协会采用的安培空气质量评价指标进行评价，其公式为Ｃｉ＝ｎ－／１ ０００ｑ，式中，Ｃｉ为空气质量评价指数，ｎ－为空气负离子浓度，ｑ为单极系数（空气中正离子与负离子之比）［６］。

１．４．４环境空气含菌量的测定按照文献［７］的配方，配制真菌、细菌、酵母菌和放线菌综合培养基。将暴露在群落空气中取了菌样的培养皿倒转，置于３０℃恒温箱中培养，培养２５ ｈ后检查细菌菌落数，培养３６ ｈ后检查霉菌菌落数，培养７２ ｈ后检查放线菌菌落数。计算每立方米空气中的微生物菌落数，计算公式为５ ０００ Ｎ／Ａ・Ｔ，式中，Ａ为培养皿的面积（ｃｍ２）；Ｔ为培养基暴露在空气中的时间（ｍｉｎ）；Ｎ为培养皿中的菌落平均数，计算结果单位表示为ｎ／ｍ３。数据统计分析采用ＤＰＳ数据处理系统进行Ｄｕｎｃａｎ’ｓ多重比较检验，试验数据表述为“平均值±标准误”。

２结果与分析

２．１纳米ＴｉＯ２溶胶对海芋生理指标的影响

纳米ＴｉＯ２溶胶处理对海芋生理指标的影响结果见图１，由图１Ａ可知，与大棚对照（Ｄ０）相比，在空气污染条件下，路旁对照（Ｌ０）的海芋叶绿素相对含量下降了３１．２％。在纳米ＴｉＯ２溶胶处理下，叶片的叶绿素相对含量有了显著的升高；如在空气污染（路旁）条件下，０．２％、０．４％、０．８％的纳米ＴｉＯ２溶胶处理的叶片叶绿素相对含量分别比路旁对照增加了２８．１％、３２．７％和５１．０％；而在正常空气条件（大棚）下，０．２％、０．４％、０．８％的纳米ＴｉＯ２溶胶处理的叶片叶绿素相对含量分别比大棚对照增加了３３．３％、３０．２％和１４．４％。由此可见，外源纳米溶胶处理明显抑制了空气污染胁迫下叶绿素含量的下降（Ｐ＜０．０５），其中以０．８％纳米ＴｉＯ２溶胶处理的效果最为显著。由此证明，纳米材料处理能有效地保护叶片叶绿素的完整结构，可防止叶绿素在空气污染逆境下的加速降解。

喷施纳米ＴｉＯ２溶胶１０ ｄ后，测定海芋的根系活力，结果（图１Ｂ）发现，随着喷施浓度的增加，根系活力呈上升趋势，其中大棚条件下，０．８％纳米ＴｉＯ２溶胶处理与大棚对照相比，根系活力增加了３６．５％；而在污染空气下，０．４％纳米ＴｉＯ２溶胶处理较路旁对照上升了２７．３％。

植物体内的丙二醛（ＭＤＡ）是由于植物衰老或在逆境条件下受伤害，其组织或器官膜脂质发生过氧化反应而产生的，是衡量质膜稳定性的重要指标。ＭＤＡ含量增多，将导致膜的渗漏，从而使植物走向死亡，因此ＭＤＡ含量与植物逆境生理密切相关。ＭＤＡ是膜脂过氧化的主要产物之一，对膜和许多生物功能分子均具有破坏作用，其在体内的积累是活性氧自由基毒害作用的表现。从图１Ｃ可见，大棚培养的海芋喷施纳米ＴｉＯ２溶胶后，各处理与对照相比，叶片组织中的ＭＤＡ含量差异不显著，说明纳米ＴｉＯ２光催化产生的活性氧自由基对叶片细胞没有破坏作用，叶片细胞仍然可保持较高的稳定性。而在空气污染条件下，０．２％和０．４％的纳米ＴｉＯ２溶胶处理能明显降低叶片ＭＤＡ的含量（Ｐ＜０．０５），而０．８％的纳米ＴｉＯ２溶胶处理与对照差别不大。由此表明，适宜浓度的纳米材料处理能明显降低叶片的ＭＤＡ含量，从而有助于提高植株的抗逆性。

恶劣的尾气污染条件下海芋生长不良，叶片细胞质膜透性偏高。而在纳米ＴｉＯ２溶胶处理下，叶片细胞质膜透性较路旁对照显著降低（Ｐ＜０．０５），在０．２％和０．４％纳米ＴｉＯ２溶胶处理下，叶片的相对电导率仅为路旁对照的８１．４％和７８．５％（图１Ｄ），而在０．８％纳米ＴｉＯ２溶胶处理下，相对电导率却有所上升（５．１％），说明适宜浓度的纳米ＴｉＯ２溶胶处理有助于维持植物叶片细胞膜的结构，可抑制电解质外渗造成的质膜伤害。在正常空气条件下，各纳米ＴｉＯ２溶胶处理对于叶片细胞质膜透性的影响不显著，差异最大的０．４％纳米ＴｉＯ２溶胶处理的叶片细胞相对电导率较大棚对照下降了８．５％，变化趋势与ＭＤＡ相似。

２．２空气污染下纳米ＴｉＯ２溶胶对海芋叶片光合参数日变化的影响

不同浓度纳米ＴｉＯ２溶胶处理对海芋叶片光合参数日变化的影响结果见图２，由图２可知，与大棚对照相比，路旁对照的日均Ｐｎ、Ｇｓ、Ｔｒ均呈现出不同程度的下降，而Ｃｉ则有所增加。大棚对照的Ｐｎ日变化为不明显的双峰型，空气污染条件下叶片Ｐｎ的日变化则表现为明显的不对称双峰型，在１２∶００左右表现出明显的“光合午休”现象。从图２A可见，上午８∶００～１０∶００期间，Ｐｎ迅速增加，第一个高峰均出现在１０∶００左右，是全天Ｐｎ的最高值，其中大棚对照处理可达５．７５ μｍｏｌ／（ｍ２・ｓ），路旁对照也达到了４．８３ μｍｏｌ／（ｍ２・ｓ）；而在１０∶００以后Ｐｎ开始下降，１０∶００～１２∶００下降较快，１２∶００以后又出现缓慢回升，大棚对照和路旁对照在１４∶００再次达到高峰，此时的Ｐｎ分别为３．８５ μｍｏｌ／（ｍ２・ｓ）和３．２４ μｍｏｌ／（ｍ２・ｓ）。从不同处理Ｐｎ日均值变化来看，经过纳米ＴｉＯ２溶胶处理的可以缓解因空气污染胁迫下光合速率的下降，Ｌ２和Ｌ３处理下的Ｐｎ甚至超过了大棚对照，其中以Ｌ３的效果最为明显。Ｇｓ和Ｔｒ的变化曲线与Ｐｎ的变化趋势基本一致（图2B、图2C）。在Ｃｉ的日进程曲线中（图2D），各处理在8∶００与１８∶００的Ｃｉ值最高，从8∶００～１０∶００ Ｃｉ值均呈下降趋势；而从１４∶００～１８∶００，Ｃｉ值又呈上升趋势。１０∶００与１４∶００的Ｃｉ值出现了两个低谷，说明空气污染胁迫增大了海芋Ｃｉ的最小值和日均值；而经过纳米ＴｉＯ２溶胶处理后，Ｃｉ日均值和最小值均降低。气孔限制值Ｌｓ变化情况与Ｐｎ、Ｇｓ和Ｔｒ基本一致，在空气污染胁迫下叶片Ｌｓ值降低，而在纳米ＴｉＯ２溶胶处理下，叶片Ｌｓ值有所上升。

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２．３纳米ＴｉＯ２溶胶对海芋净化污染空气效应的影响

海芋具备一定的净化空气污染、改善道路空气质量的能力。经测定，样地所在的广园中路道路裸地的空气负离子平均值仅为２５个/cm3，因汽车尾气污染原因，空气质量评价指数Ｃｉ值仅为０．１０（图３A）。种植海芋后，Ｃｉ值达到０．１５以上，空气质量有所改善。纳米ＴｉＯ２溶胶处理植物叶片６ ｈ后测定，Ｃｉ平均值均有不同程度的升高，其中Ｌ２处理下的Ｃｉ值达到了０．２５。

道路旁海芋环境空气中的含菌量达到２ ６５０个菌落／ｍ３（图3B），较大棚条件下增加了５８．２％。参照北京市城区空气微生物污染调查结果得出的空气质量评价标准，已属于重度污染区。而纳米ＴｉＯ２溶胶处理能明显降低空气中的含菌量，与未经纳米ＴｉＯ２溶胶处理的路旁对照相比，０．２％、０．４％、０．８％的纳米ＴｉＯ２溶胶处理后，空气中的含菌量分别降低了１７．６％、２２．４％和１０．５％。

３讨论

当前我国大气环境形势非常严峻。尤其在珠江三角洲等发达地区，区域性大气污染问题日趋凸显，大中城市空气污染开始呈现煤烟型和汽车尾气复合型污染的特点，大气污染治理的难度加剧。城市绿化植物作为城市生态系统的重要组成部分，对改善城市生态环境质量起着极大的作用。绿化植物不仅能改善气候、调节气温、增加湿度、平衡碳氧、减弱温室效应、美化环境，还能吸滤有害气体、净化空气、吸附尘粒、杀菌，对大气污染有明显的净化作用。然而随着城市空气污染日趋严重，城市绿化植物生长状况普遍较差，在高强度的空气污染逆境下，绿化植物不但难以发挥净化环境的功能，甚至无法生存［８］。

纳米科技是２１世纪的主流技术之一，纳米ＴｉＯ２颗粒具有半导体能带结构。当半导体颗粒接受太阳光照射时，会发生光催化作用，价带上的电子激发到导带生成高活性电子（ｅ－），在价带上形成带正电荷的空穴（ｈ＋），通过不断的电荷分离，完成光能到电能的转化。这一过程类似于绿色植物光合作用的原初反应，被称为“人工模拟光合作用”［９］。作为光合色素，叶绿素含量的降低是光合作用减弱的主要原因之一。纳米ＴｉＯ２溶胶处理后抑制了受污染损伤的海芋叶片叶绿素含量的降低，缓解了叶片因伤害而出现的症状，其中以０．8％浓度的纳米ＴｉＯ２溶胶处理后的效果最好，其缓解作用显著。不过纳米材料抑制空气污染胁迫下叶绿素含量的下降，究竟是通过保护叶绿素免遭破坏，还是促进其合成，具体机制尚待进一步研究证实。

本试验所用溶胶材料的主要活性物质为锐钛矿型纳米ＴｉＯ２光半导体颗粒。试验结果证明，纳米ＴｉＯ２溶胶能促进植物光合作用速率的增加。可以推测，当紫外光照射在纳米ＴｉＯ２颗粒上时，价带的电子被紫外光所激发，跃迁到导带，形成自由电子（ｅ－），经过反应产生氢，而在价带形成一个带正电的空穴（ｈ＋），并氧化水后产生氧，也就是在紫外线的作用下纳米ＴｉＯ２颗粒能够独立光水解形成电子、质子以及氧气，这样分解出来的电子、质子，并行于植物光反应阶段的电子传递，由此提高光合作用的速率。本试验结果与张萍等［１０］在黄瓜上的试验及洪法水等［１１］用金红石型ＴｉＯ２对菠菜光合作用中心的研究结果类似。

由试验的净光合速率日进程可知，洁净空气条件下，海芋叶片的Ｐｎ呈不明显的双峰型，而在空气污染胁迫下，各处理均表现出明显的不对称双峰型，出现明显的“光合午休”现象，说明空气污染胁迫使海芋对高温强光的适应能力受到影响。影响“光合午休”的原因主要有两种，一种是气孔因素，即气孔的关闭，Ｌｓ增大引起ＣＯ２供应不足；另一种是非气孔限制因素，即叶肉细胞光合活性降低引起同化力不足而限制了光合作用。根据Ｆａｒｑｕｈａｒ等的观点，以及目前国内外学者常用的光合速率降低分析方法［１２］，我们判断引起叶片净光合速率降低的主要原因，是当Ｃｉ减小、Ｌｓ增大时，气孔部分关闭。而当Ｃｉ增加、Ｌｓ减小时，非气孔限制成为光合下降的主要原因。从本研究中可以看出，在１２∶００海芋表现“光合午休”时，不同处理的Ｃｉ值均较１０∶００ Ｃｉ值有不同程度的提高，但是１２∶００ Ｌｓ值较１０∶００ Ｌｓ值均有一定程度的下降，说明海芋的“光合午休”是由空气污染所导致的非气孔因素引起的，这与付晓萍等的［１３］研究结果类似。从日变化整体看，空气污染胁迫下叶片的日均Ｐｎ、Ｇｓ、Tr和Ｌｓ显著降低，Ｃｉ显著升高，也反映了空气污染胁迫下海芋光合能力的下降主要由非气孔因素即叶肉细胞的光合活性降低所致。纳米ＴｉＯ２溶胶处理不同程度地提高了空气污染胁迫下海芋叶片的Ｐｎ、Ｔｒ、Ｇｓ和Ｌｓ，而Ｃｉ显著下降，说明纳米ＴｉＯ２溶胶缓解了空气污染胁迫造成的叶肉细胞光合活性的下降，提高了空气污染胁迫下的海芋光合能力。较高的Ｇｓ说明具有较高的光合底物传导能力，为叶片同化更多的光合产物提供了生理基础，而Ｔｒ的提高增强了植株吸水及运输的动力，有利于植株光合作用的进行和抗逆性的提高。

在城市主干道旁恶劣的尾气污染环境下，海芋叶片的相对电导率和ＭＤＡ含量数值明显偏高，叶绿素含量偏低，说明植株膜脂过氧化程度加剧，细胞膜的相对透性增加。而纳米ＴｉＯ２溶胶处理对维持海芋叶片细胞膜结构、降低膜通透性、保持叶绿素含量方面有较好的效果，能有效降低叶片自由基的积累，有助于维持植株细胞结构的完整性。纳米ＴｉＯ２溶胶处理还可以增强植物的根系活力，这与叶片细胞气孔导度和蒸腾速率的增加具有一定的相关性，可能是这三者共同的作用促进了植株吸收水分能力的提高。总体而言，0.4%的纳米ＴｉＯ２溶胶处理后，对提高海芋在空气污染胁迫下的抗逆性、光合作用指标及净化污染空气的效应具有明显的作用。

纳米ＴｉＯ２溶胶对植物胁迫的调节可能具有两重性，一方面低浓度对植物具有保护作用，另一方面纳米ＴｉＯ２在太阳光照射下光催化产生活性氧自由基，当自由基的量超过机体抗氧化系统的清除能力时，自由基会直接攻击细胞膜系统，造成膜脂过氧化，使细胞膜透性增加。试验结果证明，０．２％、０．４％、０．８％浓度的纳米ＴｉＯ２光半导体溶胶处理大棚海芋植株后，与对照海芋植株相比，叶片组织中ＭＤＡ含量和膜渗透性变化不显著，说明喷施纳米ＴｉＯ２溶胶后活性氧并未对细胞膜系统造成伤害，叶片细胞质膜仍然保持较高的稳定性［１４］。不过纳米光触媒产品在生物安全方面的效应，尤其对植物安全性的影响，目前还不是很清楚。有研究表明，铝纳米颗粒有明显的植物毒性，试验发现未包被的铝纳米颗粒显著抑制玉米、黄瓜、甘蓝和红萝卜等植物根系的延长，而包被有菲（Ｐｈｅｎ）的铝纳米颗粒可以显著减小这种抑制。原因是菲的包被破坏了纳米颗粒表面本身具有的羟自由基，从而改变了纳米材料的表面特性［１５，１６］。我们在浓度筛选初步试验中发现，１．５％的纳米ＴｉＯ２溶胶对于海芋有一定的负面影响，会出现叶片卷曲发黄直至枯萎，相关的机理有待进一步的分析。同时，纳米光触媒处理植物叶片后，可有效提高海芋在改善环境空气质量方面的能力，其原因是由于植物触媒与光触媒之间存在加成效应，还是纳米材料通过提高植株抗逆性而进一步发挥出植物的净化污染能力，或者是两者之间并无直接相关，而在各自发挥着自身的净污能力，其机理还有待通过进一步的探索和试验分析来解释。

参考文献：

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［１４］ ＨＥＤＤＥＲＭＡＮ Ｔ Ｇ， ＫＥＯＧＨＳ Ｍ， ＣＨＡＮＭＢＥＲＳ Ｇ， ｅｔ ａｌ． Ｉｎ－ｄｅｐｔｈ ｓｔｕｄｙ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓｗｉｔｈ ａｎｔｈｒａｃｅｎｅ ａｎｄ ｐ－ｔｅｒｐｈｅｎｙｌ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓ－Ｔｒｙ Ｂ， ２００６，１１０（９）：３８９５－３９０１．

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