纳米级ZnSn(OH)6对小麦种子发芽和生根的影响

纳米技术在杀虫剂、杀菌剂上的应用报道的很多，有人发现，纳米碳对水稻具有促进作用，纳米碳作为肥料对大豆有增产作用，碳纳米材料如MWCNTs、OMWCNTs、SWCNHs表现为促进种子对水分的吸收、能够加快种子的萌发、可以提高种子的发芽率[1-5]。纳米TiO2对油菜、黄瓜和玉米的发芽率均有抑制作用，而它对玉米发芽率的抑制作用也是非常显著的[6-7]。ZnO纳米颗粒和金纳米颗粒对玉米种子发芽率产生抑制作用[8-9]。MWCNT对小麦、豆类、花生的种子发芽均具有提高，研究均表明，纳米材料可在不同程度上促进种子萌发[9-11]。也有研究报道，纳米角SWCNHs使烟草鲜质量提高，纳米Fe颗粒、纳米ZnO颗粒、纳米CuO颗粒等均对玉米幼苗根有抑制作用[12-14]。单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管对植物生长发育的影响是复杂多变的，这主要取决于碳纳米管的类型，碳纳米管可能是影响了相关基因的表达，从而影响植物的生长发育，但这方面的研究还有待于深入进行[15-19]。

本次试验使用不同结构的纳米级ZnSn(OH)6制剂配置不同浓度的悬浮液，在小麦的发芽和生根的过程中对小麦进行施加，通过小麦的后续生长来观察不同溶液对于小麦的生根和发芽的影响。研究纳米级ZnSn(OH)6对小麦种子的萌发和生根状态，对提高纳米材料在农业上的使用具有重要的意义。

1 材料和方法

1.1 试验药品及仪器

1.1.1 试验药品蒸馏水、SnCl4·5H2O、Zn(Ac)2·H2O、SDBS(十二烷基苯磺酸钠)、氢氧化钠、乙醇、琼脂。

1.1.2 试验仪器试验仪器见表1。

1.2 试验方法与步骤

1.2.1 纳米制剂的制备过程 0.35 g的SnCl4·5H2O加入到5 mL乙醇中搅拌10 min，形成溶液1，0.22 g Zn(Ac)2·H2O和0.35 g的SDBS(十二烷基苯磺酸钠)加到10 mL水中，搅拌10 min，形成溶液2，溶液1和溶液2在室温下搅拌混合，取5 mL的2 mol/L的氢氧化钠加入混合液中，离心收集白色沉淀，用水和乙醇各洗涤3次，60 ℃干燥得实心结构的ZnSn(OH)6。

取50 mg实心结构的ZnSn(OH)6作为前驱体，0.22 g Zn(Ac)2·H2O和0.35 g的SDBS(十二烷基苯磺酸钠)加到10 mL水中，搅拌10 min，形成溶液3，0.35 g的SnCl4·5H2O加入到5 mL乙醇中搅拌10 min，形成溶液4，溶液3和溶液4在室温下搅拌混合，取5 mL的2 mol/L的氢氧化钠加入混合液中，离心收集白色沉淀，用水和乙醇各洗涤3次，60 ℃干燥得核壳结构的ZnSn(OH)6。

将合成的2种纳米材料进行超声30 min分散做成不同浓度的悬浮液。

1.2.2 发芽试验根据试验，分别配置浓度为1，5，10，50，100 mg/L的核壳结构ZnSn(OH)6制剂和实心结构ZnSn(OH)6制剂。

根据每个配置的纳米制剂浓度的不同，每个浓度梯度的纳米制剂溶液对应30颗种子。放入小烧杯分别用1，5，10，50，100 mg/L的核壳结构ZnSn(OH)6，实心结构ZnSn(OH)6的溶液，浸泡8～12 h，使种子充分吸水膨胀。转移至培养皿中，在每个培养皿中用相应浓度的纳米制剂溶液湿润(在整个发芽的试验中培养皿内的吸水纸都要保证湿润，以保证整个试验过程中种子拥有充足的水分)。分别在开始浸种后的第4，6，8.5，11，18.5，22 小时对小麦种子的发芽个数进行详细记录，以便于后期的结果分析。

发芽率(%)=(试验中所有发芽的种子数/所供试验的种子数)×100%；

促进率(%)=(药品浸种的发芽率-CK浸种的发芽率)/CK浸种发芽率×100%。

1.2.3 生根试验前期按照发芽实验操作进行，培养皿中的种子有大约2 mm的根长出来的时候，着手制备琼脂培养基，冷却成凝胶状态，即是所用的琼脂培养基。

待培养皿中的种子发芽后，选取5个长势一致，且生长状况良好的种子种入小烧杯中的琼脂培养基中。当种子种入琼脂培养基后，根茎发育合格后(一般种苗的根部长到烧杯的底部)，将种苗拔出，用蒸馏水浸润，用游标卡尺测量其根的长度、茎的长度，拍下照片并详细的做出记录。本部分采用浸种方式和基施方式进行比较研究，其中浸种方式为用药剂浸种，基施方式为在培养基中施用药剂。

2 结果与分析

2.1 纳米级ZnSn(OH)6的表征

从TEM表征可以看到，图1-A是实心结构的ZnSn(OH)6，图1-B是核壳结构的ZnSn(OH)6。

2.2 发芽部分

2.2.1 核壳结构ZnSn(OH)6对小麦种子发芽的影响核壳结构ZnSn(OH)6对小麦种子发芽的影响如图2所示，从图中可以看出，随着时间的延长，各制剂对小麦种子的发芽率均增加，在同一时间进行测定发芽率时，大致符合低浓度、高浓度均没有中间浓度的发芽率高的趋势，在5，10 mg/L浓度条件下发芽率相对较高，说明核壳结构的ZnSn(OH)6纳米制剂低浓度或者高浓度对种子均起到了抑制作用。

2.2.2 实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子发芽的影响实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子发芽的影响如图3所示，从图中可以看出，在1，5，10 mg/L条件下，实心结构ZnSn(OH)6纳米制剂对小麦种子的发芽率明显高于CK，随着时间的延长，各个制剂对种子的发芽率与CK相比较变化情况不尽相同，其中最高的发芽率是10，50 mg/L条件下在22 h的发芽率，达到83.8%。

2.3 生根部分

2.3.1 核壳结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响

2.3.1.1 核壳结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响(浸种方式) 核壳结构的ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响如表2所示，从表中可以看出，随着浓度的增加，主根长、侧根长和茎高均出现先增加后减少的趋势，其中在10 mg/L时出现最大值，主根长促进率达到4.76%，侧根促进率达到14.43%，茎高促进率达到5.17%，该纳米制剂在其他浓度也有促进，只在一个浓度下出现了负增加。

2.3.1.2 核壳结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响(基施方式) 核壳结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响如表3所示，从表中可以看出，在基施条件下，该制剂在对主根长的促进上具有较好的促进作用，对侧根长的促进作用并不明显，甚至出现了负增长，对茎高的数据可以看出促进作用更加弱，只有在10 mg/L时有1.61%的促进率。该方式的促进作用明显没有浸种方式好。

2.3.2 实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响

2.3.2.1 实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响(浸种方式) 实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响如表4所示，从表中可以看出，该纳米制剂在10，50 mg/L条件下时，在主根长、侧根长和茎高上均起到了促进作用，在低浓度时均出现了各方面的抑制作用，但在浓度更高的情况下也会出现抑制。

2.3.2.2 实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响(基施方式) 实心结构ZnSn(OH)6对小麦种子生根的影响如表5所示，从表中可以看出，在基施条件下，该纳米制剂在10，50 mg/L条件时，在主根长、侧根长和茎高上均起到了促进作用，而在其他的浓度条件下，在测定的3个方面都出现了抑制作用，说明该纳米制剂在施用时必须采用合适的浓度，否则对种子的生长起不到正作用。

注：相同的小写字母表示同一列数据间无显著性差异，不同的小写字母表示存在显著性差异，P<0.05。表3-5同。

Note：The same lower case letters mean that there is no significant difference between the same column of data，and different lower case letters mean that there is significant difference，P<0.05. The same as Tab.3-5.

从上述数据可以看出，核壳结构的ZnSn(OH)6制剂在对小麦种子生根方面优于实心结构ZnSn(OH)6制剂的效果，可能是由于核壳结构的特点，使得制剂中的Zn元素和Sn元素能够均匀全面的对种子进行刺激作用，针对这一点，青岛农业大学化学与药学院仿生研究课题组会进行后期的植物分子水平的研究，另外，同一种制剂在基施和浸种2种方式上来看，浸种方式的效果优于基施方式，这一点在农业上可以借鉴。如下是试验中的一组实物照片(图4)，左边的是清水浸种的小麦生根状况，右边的是实心结构的ZnSn(OH)6制剂对小麦生根的情况。

3 讨论与结论

纳米技术具有促进作物生长的能力，在植物生产上具有潜在利用价值。越来越多的证据表明某些纳米材料对植物的生长具有积极的影响[20-21]。纳米颗粒增加了叶绿素含量，提高了菠菜的产量，单臂或者多臂纳米管对番茄种子的萌发和果实成熟均有刺激作用，如植株的高度、叶片的数目、花朵的数量、挂果率和果实重量等，同时其可以促进种子萌发和提高种子的生根，这些结果暗示纳米材料未来在农业生产上不仅能够防治病虫害，而且有可能作为植物生长的补剂，提高农产品的产量和质量[22-23]。纳米材料对不同作物会产生促进或者抑制作用，现象复杂。纳米材料进入生物圈，从微观到宏观，在分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落等各个层面对我们和我们生存的环境造成影响。碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。

纳米技术能够大幅提高农业生产力，能在未来提供绿色、高效的方案进行农业生产，纳米材料未来在农业生产上不仅能够防治病虫害，而且有可能作为植物生长的补剂，提高农产品的产量和质量。

本研究针对不同的纳米材料制剂对植物的种子萌发和幼苗的生根进行了详细的研究，合成了2种不同结构的纳米ZnSn(OH)6制剂，通过试验数据可以发现，核壳结构ZnSn(OH)6在5，10 mg/L浓度条件下发芽率相对较高，1，5，10 mg/L条件下，实心结构ZnSn(OH)6纳米制剂对小麦种的发芽率明显高于CK。核壳结构的ZnSn(OH)6在10 mg/L时出现最大值，主根长促进率达到4.76%，侧根促进率达到14.43%，茎高促进率达到5.17%，实心结构ZnSn(OH)6在10，50 mg/L条件下时，在主根长、侧根长和茎高上均起到了促进作用。

碳纳米材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，在调节植物生长发育、防治病虫害、消除环境污染等方面展示出广阔的应用潜力。从上可见纳米材料在农业上的潜在用途和由此带来的利益是巨大的，本研究所用的纳米ZnSn(OH)6制剂在对小麦种子发芽、生根上有着一定的促生长作用，这些数据可以为纳米材料在农业上的应用提供有效的数据支持。但是目前的研究结果多来自实验室内的培养基或者水培条件，缺乏大田环境下的有效数据。因此，在碳纳米材料对植物的作用规律，对肥料、农药的增效作用及对土壤环境的影响等方面需深入研究。

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