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近年来，随着纳米技术的发展，碳纳米管作为一种新型吸附剂被广泛应用于多种重金属的去除[1-2]。碳纳米管表面的羧基、羟基等官能团与重金属相互作用，提高了碳纳米管对重金属的吸附和选择[3-7]，是影响碳纳米管吸附重金属的重要因素。除作为吸附剂使用外，碳纳米管和重金属在环境中共存时，也会影响重金属的生态毒性。LIU等[8-9]发现：多壁碳纳米管本身对斑马鱼Danio rerio没有毒性，但却由于吸附了铅(Pb)和锌(Zn)，加重了两者在斑马鱼体内的积累和毒性。MARTINEZ等[10]发现：硝酸氧化后的多壁碳纳米管加剧了Pb在鱼体中的累积。YU等[11]发现：表面未处理的多壁碳纳米管会抑制大型蚤Daphnia magna对重金属的吸收，而表面具有含氧官能团的多壁碳纳米管吸附了重金属，由于“木马效应”，重金属在大型蚤内大量积累。与其他生物相比，微生物既是生态食物链的最底层也是分解者，因此微生物的生态风险评价更为重要。WANG等[12]发现：铜(Cu)和铬(Cr)增强了碳纳米管对微生物群落的影响。付勇等[13]对3种短多壁碳纳米管和镉离子(Cd2+)的复合细菌毒性进行了初步研究，但未阐明不同官能团对碳纳米管吸附机制的影响[13]。在此基础上，本研究以未经修饰、羧基化、羟基化和氨基化多壁碳纳米管为材料，通过Cd2+吸附平衡实验和细菌毒性实验评估不同官能团多壁碳纳米管对重金属吸附及对大肠埃希菌Escherichia coli毒性的影响，从多壁碳纳米管与重金属相互作用角度揭示表面官能团在多壁碳纳米管影响重金属细菌毒性中的作用机制。
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未经修饰(MWCNTs)、羟基化(O-MWCNTs)、羧基化(C-MWCNTs)和氨基化多壁碳纳米管(N-MWCNTs)均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度＞95%，内径为3~5 nm，外径为8~15 nm，长度约为50 μm。用超纯水配制成1 000 mg·L−1的碳纳米管悬液作为母液，使用前超声分散15 min，并用超纯水稀释至所需质量浓度。100 mg·L−1质量浓度下，4种不同官能团多壁碳纳米管的zeta电位、含氧量、电导率和pH等参数见表1。
表 1 不同官能团多壁碳纳米管的测定参数
Table 1. Determination parameters of MWCNTs with different functional groups
zeta电位/mV 含氧量/% 电导率/(μS·cm−1) pH 多壁碳纳米管 −9.14 5.654 0.87 6.57 羟基化多壁碳纳米管 −7.19 6.629 1.79 6.10 羧基化多壁碳纳米管 −12.76 11.286 2.98 5.88 氨基化多壁碳纳米管 −8.98 4.581 1.13 7.23 用分析纯四水硝酸镉[Cd(NO3)2·4H2O]配制100 mg·L−1的Cd2+储备液作为母液，使用前超纯水稀释至所需质量浓度。以分离自生活污水的大肠埃希菌(Genbank收录号：MG388227)为模型微生物，菌种保存于4 ℃冰箱中。使用前接种于LB液体培养基，37 ℃、150 r·min−1在恒温振荡器中培养过夜，然后3 000 r·min−1离心制备菌悬液。为排除盐度影响，细菌用超纯水离心洗涤2次，利用紫外-可见分光光度计调节D(600)至1.0，菌落数量约为1×109 CFU·mL−1。
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固定多壁碳纳米管质量浓度为1 000 mg·L−1，调节Cd2+质量浓度为0 (对照)、1、2、5、10和15 mg·L−1。150 r·min−1、25 ℃恒温振荡3 h；4 000 r·min−1离心后取上清液，经0.22 μm滤膜过滤，利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP，Prodigy7，利曼-徕伯斯公司，美国)测定滤液中Cd2+质量浓度，计算平衡吸附量，绘制吸附等温线。Langmuir吸附等温式：q=qmKlc/1+Klc。其中：q为平衡吸附量(mg·g−1)，qm为单分子层饱和吸附量(mg·g−1)，Kl为平衡吸附常数，c为溶液中吸附质平衡浓度(mg·g−1)。Freundlich吸附等温式：q=Kfc1/n。其中： Kf为平衡吸附常数，n为常数。用Origin 9.0绘制吸附等温线，分别用Langmuir和Freundlich吸附等温式进行曲线拟合，得到qm、Kl以及Kf和n。
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参考付勇等[13]、李梅等[14]进行细菌毒性实验，采取染毒和生长抑制实验相结合的方法。量取Cd2+母液，调节质量浓度至0(对照)、1、2、4、8、10 mg·L−1，定容至9 mL。量取各官能团多壁碳纳米管悬液母液，调节质量浓度至0(对照)、10、20、50、100、200 mg·L−1，定容至9 mL。固定Cd2+质量浓度至1 mg·L−1，分别加入0(对照)、10、20、50、100、200 mg·L−1的各官能团多壁碳纳米管悬液，定容至9 mL。往各样品中加入1 mL细菌悬液[D(600)=1.0]，150 r·min−1、25 ℃恒温培养3 h进行染毒实验。染毒结束后，取1 mL混合液转移至9 mL灭菌后的LB液体培养基中，37 ℃振荡培养，每隔1 h测定混合液600 mn波长处的吸光度[D(600)]。为避免颗粒沉降造成的影响，每次吸光度测定前样品均先涡旋混合10 s。计算细菌存活率(%)：S=[D(600)t-s−D(600)o-s]/[D(600)t-c−D(600)o-c]。其中：D(600)o-c为对照组初始时刻600 nm下吸光度，D(600)t-c为对照组t时刻600 nm下吸光度，D(600)o-s为样品组初始时刻600 nm下吸光度，D(600)t-s为样品组t时刻600 nm下吸光度。根据对照组迟滞期长短，t时刻选取2或3，各组取的t时刻与对照组相同。利用SPSS软件对数据进行显著性分析。
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25 ℃条件下不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+的吸附等温线见图1，Langmuir和Freundlich等温式拟合参数见表2。从图1可以看出：相同条件下，不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+的吸附能力大小依次为羧基化多壁碳纳米管、羟基化多壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管。结合表2可知：4种多壁碳纳米管对Cd2+的吸附均可以用Langmuir和Freundlich方程较好地拟合，其中羟基化和羧基化多壁碳纳米管的Langmuir和Freundlich拟合相关系数R2均达到了0.95以上。对于未修饰的多壁碳纳米管和氨基化多壁碳纳米管，Freundlich方程拟合效果更好。
图 1 不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+的吸附等温线
Figure 1. Adsorption isotherm of Cd2+ on MWCNTs with different functional groups
表 2 不同碳纳米管对Cd2+的吸附等温线方程拟合参数
Table 2. Regression parameters of adsorption isotherms of Cd2+ onto different MWCNTs
样品 Langmuir方程 Freundlich方程 方程式 qm/(mg·g−1) Kl/(L·mg−1) R2 方程式 n Kf R2 多壁碳纳米管 q=1.002c/(1+0.238c) 4.212 0.238 0.896 q=0.976c0.467 2.108 0.976 0.954 羟基化多壁碳纳米管 q=2.346c/(1+0.273c) 8.593 0.273 0.954 q=2.131c0.473 2.113 2.131 0.994 羧基化多壁碳纳米管 q=7.442c/(1+0.451c) 16.486 0.451 0.989 q=5.103c0.483 2.071 5.103 0.950 氨基化多壁碳纳米管 q=0.386c/(1+0.066c) 5.882 0.066 0.796 q=0.564c0.607 1.647 0.564 0.852 Langmuir吸附等温式适用于表面均匀吸附剂的吸附，可预测最大吸附量，拟合相关系数R2值越接近于1，预测得到的最大吸附量将越接近于真实值。Freundlich吸附等温式适用于不均匀表面吸附剂的吸附，n值越小代表越难吸附。由表2可以看出：羧基化多壁碳纳米管吸附量最大，是羟基化多壁碳纳米管的约2倍，是未修饰多壁碳纳米管的约4倍；Langmuir吸附等温式拟合的氨基化多壁碳纳米管吸附方程对应的R2值偏低，其计算最大吸附量比实际值要大；平衡吸附常数的大小也在一定程度上代表了吸附剂的吸附性能，4种碳纳米管的Freundlich平衡吸附常数Kf与其最大吸附量相一致，说明Freundlich吸附等温式更适用于分析不同多壁碳纳米管对Cd2+的吸附。
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由图2可知：1 mg·L−1的Cd2+处理下，大肠埃希菌存活率约为70%；随着Cd2+质量浓度升高(10 mg·L−1)，大肠埃希菌存活率缓慢但持续下降(50%)。为减少因Cd2+质量浓度变化对多壁碳纳米管毒性实验的影响，后续实验中固定Cd2+质量浓度为1 mg·L−1。
图 2 Cd2+的细菌毒性
Figure 2. Bacterial toxicity of Cd2+
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从图3可知：与对照相比，质量浓度不大于200 mg·L−1时，不同官能团多壁碳纳米管对大肠埃希菌存活不存在抑制作用，甚至不同程度提高了细菌的存活率，其中羧基化碳纳米管对大肠埃希菌的存活最有利。
图 3 不同官能团多壁碳纳米管的细菌毒性
Figure 3. Bacterial toxicity of MWCNTs with different functional groups
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固定Cd2+质量浓度为1 mg·L−1，考察不同质量浓度的4种官能团多壁碳纳米管对Cd2+大肠埃希菌毒性的影响。从图4可以看出：随着多壁碳纳米管质量浓度的增大，4种官能团多壁碳纳米管-Cd2+复合物处理下的大肠埃希菌存活率缓慢增加。与1 mg·L−1的Cd2+相比，当复合物中多壁碳纳米管质量浓度达到200 mg·L−1时，细菌存活率提高了11%(未修饰多壁碳纳米管)~14%(羧基化多壁碳纳米管)，可见4种官能团多壁碳纳米管均显著降低了Cd2+的细菌毒性。
图 4 不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+细菌毒性的影响
Figure 4. Effect of MWCNTs with different functional groups on toxicity of Cd2+ to E. coli
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碳纳米管对重金属的吸附机制包括物理吸附、静电引力、表面络合、离子交换等[15]。通常认为影响物理吸附的主要因素为吸附剂表面积，表面积越大，暴露的活性吸附点位也越多，吸附能力也越强[16]。本研究中4种多壁碳纳米管管长和管径相同，物理吸附能力(有效吸附面积，即吸附点位)主要与其在水中的分散性能有关。未修饰多壁碳纳米管和氨基化多壁碳纳米管在水中易团聚，羧基化和羟基化多壁碳纳米管分散性能较好，因此对Cd2+的物理吸附性能优于前两者。碳纳米管与Cd2+间的静电引力主要取决于碳纳米管的表面电荷。相较于其他3种多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管表面的羧基解离使－COOH变成了COO−，带负电荷更多(表1)，与带正电荷的Cd2+静电吸引强，是羧基化多壁碳纳米管对Cd2+的吸附能力大的原因[17]。多壁碳纳米管含氧官能团对重金属的吸附主要通过络合作用[18-19]。XU等[20]发现：羧基化和羟基化多壁碳纳米管都可与重金属离子产生表面络合作用。本研究发现：4种多壁碳纳米管含氧量从大到小依次为羧基化多壁碳纳米管、羟基化多壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管；结合图1可知：多壁碳纳米管含氧量越高，与Cd2+的反应就越剧烈。本研究中未修饰的多壁碳纳米管和氨基化多壁碳纳米管对Cd2+的吸附主要为物理吸附和静电引力，而羟基化和羧基化多壁碳纳米管吸附Cd2+主要为络合作用，与羟基相比，羧基与Cd2+的化学键能更强，因而络合反应也更大，即羧基化多壁碳纳米管对Cd2+的吸附性能更好。
多壁碳纳米管对Cd2+的吸附决定了水中游离Cd2+的质量浓度，一定程度上影响了Cd2+的生物可利用性。利用碳纳米管对溶解Cd2+质量浓度的影响可预测其对Cd2+细菌毒性的影响。若不考虑碳纳米管与细菌的接触，仅考虑Cd2+细菌毒性的变化，羧基化多壁碳纳米管对Cd2+细菌毒性的降低最明显，其次为羟基化多壁碳纳米管，氨基化多壁碳纳米管和未修饰的多壁碳纳米管对重金属细菌毒性影响较小。
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超纯水中Cd2+主要以游离态存在，其致毒机制主要为与大肠埃希菌表面上的吸附位点结合，通过离子通道等途径进入大肠埃希菌内，并在某些特定部位富集[21]。实验室条件下，Cd2+细菌毒性随Cd2+质量浓度增大(1~10 mg·L−1)而增强，在菌落数为1×108 CFU·mL−1时，大肠埃希菌存活率从70%降至50%左右。
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目前认为碳纳米管与细菌直接接触对细胞膜穿刺造成的物理损伤是碳纳米管对细菌产生毒性的重要因素[22]。碳纳米管与细菌是否能够直接接触不仅取决于碳纳米管表面电荷，还取决于碳纳米管质量浓度及分散状况。本研究中4种多壁碳纳米管表面均带负电荷，其中羧基化多壁碳纳米管负电荷最多，因此与带负电荷的细菌之间存在静电斥力，不利于接触。但羧基化多壁碳纳米管和羟基化碳纳米管分散性较好，与细菌接触机会相对更多；未修饰多壁碳纳米管和氨基化多壁碳纳米管团聚性较强，因团聚而大部分沉降，与细菌接触机会较少。同时多壁碳纳米管外径为8~15 nm，长度约为50 μm，因接触造成的物理损伤仅在细胞壁产生；因此可以认为多壁碳纳米管对细菌生长没有抑制。相反，羧基化多壁碳纳米管存在条件下，细菌存活率提高；这是由于细菌正常生长需要适合的渗透压，等渗条件下细菌抗毒能力强，低于等渗离子强度时，离子强度越大，细菌存活率越高[23]。为排除离子强度对碳纳米管影响，本研究利用超纯水为背景介质，100 mg·L−1质量浓度下，羧基化多壁碳纳米管电导率最高，表面负电荷最多，与细菌的静电斥力更强，因此羧基化多壁碳纳米管存在条件下，细菌存活率明显高于其他处理。
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多壁碳纳米管对Cd2+毒性的影响可以从3个方面来解释。①多壁碳纳米管的毒性。多壁碳纳米管吸附Cd2+后，表面负电荷均被中和，颗粒自团聚和颗粒与细菌间的异团聚性能均增加，2种团聚对细菌的毒性影响相反，因此多壁碳纳米管吸附Cd2+前后自身毒性变化可以忽略。②游离态Cd2+的毒性。游离态Cd2+质量浓度受到多壁碳纳米管类型与质量浓度的影响[24]。对4种多壁碳纳米管的吸附等温拟合发现：同等初始质量浓度时，不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+的吸附能力从大到小依次为羧基化多壁碳纳米管、羟基化多壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管，而由游离态Cd2+造成的细菌毒性与其质量浓度一致。③多壁碳纳米管-Cd2+复合物的毒性。除游离态Cd2+外，体系中存在的多壁碳纳米管-Cd2+复合物也可能会对细菌产生毒性[13]。多壁碳纳米管吸附Cd2+后表面负电荷降低，导致多壁碳纳米管与细菌的接触机会增加，此时，与多壁碳纳米管结合能力弱的Cd2+将可能转移至细菌表面对细胞膜产生损伤。另外，其物理损伤将会促进Cd2+进入细菌细胞内，从而产生伤害[25-26]。未修饰多壁碳纳米管-Cd2+复合物与氨基化多壁碳纳米管-Cd2+复合物对细菌的毒性不能忽略。总体上多壁碳纳米管吸附Cd2+造成的毒性降低大于多壁碳纳米管与细菌直接接触造成的毒性增强，因此表现为多壁碳纳米管可降低环境Cd2+的细菌毒性。
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多壁碳纳米管内外管径及长度均相同时，多壁碳纳米管吸附Cd2+性能与其表面官能团含氧量有关，含氧量越高，吸附能力越强。即4种多壁碳纳米管对Cd2+质量浓度降低程度从高到低依次为羧基化多壁碳纳米管、羟基化多壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管。4种多壁碳纳米管对Cd2+的吸附在不同程度上降低Cd2+生物有效性，同时碳纳米管-Cd2+复合物也存在一定毒性，总体上多壁碳纳米管质量浓度越高，对Cd2+细菌毒性降低越显著，相比之下，羧基化多壁碳纳米管表现了更强的降毒能力。
Adsorption of cadmium on multi-walled carbon nanotubes with different functional groups and their bacterial toxicity
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摘要:
目的 探讨不同官能团多壁碳纳米管对镉离子(Cd2+)的吸附作用，揭示多壁碳纳米管影响镉细菌毒性的机制。 方法 通过批量吸附平衡实验研究不同官能团(羟基化、羧基化、氨基化、未经修饰)多壁碳纳米管(MWCNTs)对Cd2+的吸附性能，通过细菌毒性实验评估不同官能团多壁碳纳米管和Cd2+对大肠埃希菌Escherichia coli的毒性效应。 结果 4种多壁碳纳米管对Cd2+的吸附能力从大到小依次为羧基化多壁碳纳米管、羟基化多壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管，吸附性能与碳纳米管含氧量相关。多壁碳纳米管- Cd2+复合物细菌毒性低于游离Cd2+，随纳米管质量浓度增加(0~200 mg·L−1)，羧基化多壁碳纳米管-Cd2+复合物作用下细菌存活率从67%提高到81%。 结论 不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+的吸附量与碳纳米管含氧量呈正相关；多壁碳纳米管-Cd2+复合物细菌毒性低于游离Cd2+，认为多壁碳纳米管可降低游离Cd2+的细菌毒性。图4表2参26 Abstract:Objective This study attempted to explore the adsorption properties of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with different functional groups for cadmium, and to reveal the influence mechanism on the bacterial toxicity of cadmium. Method The adsorption abilities of Cd2+ on MWCNTs with different functional groups (hydroxylated, carboxylated, aminated and unmodified) were studied by batch adsorption equilibrium test. The effects of MWCNTs with different functional groups on the toxicity of Cd2+ to Escherichia coli (E. coli) were evaluated by the bacterial toxicity test. Result The order of Cd2+ adsorption capacity on the four MWCNTs were carboxylated MWCNTs, hydroxylated MWCNTs, MWCNTs, finally aminated MWCNTs, which was related to the oxygen content. The combined bacterial toxicity of MWCNTs and Cd2+ was lower than that of free Cd2+, and the bacterial survival rate increased from 67% to 81% with the increasing carboxylated MWCNTs concentration (0−200 mg·L−1). Conclusion The adsorption of Cd2+ by MWCNTs with different functional groups was positively correlated with their oxygen content. The combined bacterial toxicity of MWCNTs and Cd2+ was lower than that of free Cd2+, and it was concluded that MWCNTs could reduce the bacterial toxicity of free Cd2+. [Ch, 4 fig. 2 tab. 26 ref.] -
Key words:
- multi-walled carbon nanotubes /
- functional groups /
- cadmium /
- adsorption /
- Escherichia coli /
- toxicity
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杨柳科Salicaceae柳属Salix植物种类繁多，有450~520种；分布广泛，主要分布在北半球[1]，在中国属于原生树种；适应性强，耐湿，抗旱，耐低温，抗风性好，又具有很高的观赏价值。柳蓝叶甲Plagiodera versicolora又名柳圆叶甲，属鞘翅目Coleoptera叶甲科Chrysomelidae，是柳树主要食叶害虫，易在柳树较多或集中的地方大量发生。目前柳蓝叶甲仍以化学防治为主，因此对环境污染较大[2]。如何安全有效地预防和控制柳蓝叶甲的危害成为亟待解决的问题。植物抗虫性是植物与昆虫共同进化过程中形成的遗传性状，具有专一性、累积性、持续性、与环境的协调性、与其他防治措施的兼容性等特点，提高植物抗性是害虫综合防治策略中的一项重要措施[3-5]。在促使植物具有抗虫性的诸多因素中，化学因素起着重要作用[6]。穆丹等[7]研究证明：植物的气味能够有效调节和诱导柳蓝叶甲的行为。MATSUDA等[8]研究发现：绿原酸对某些柳树甲虫具有拮抗作用。IKONEN等[9]研究表明：叶甲拒食的柳叶中有高含量的绿原酸和水杨酸。由于技术的限制，植物次生代谢物基因转录和调控机制仍然没有得到解决。代谢组学技术在理解代谢网络和转录基因功能方面起着关键作用[10-14]。随着质谱、核磁共振等相关技术的迅速发展，代谢组学与其他组学技术的结合成为代谢组学研究的热点[12-14]。本研究选取旱柳S. matsudana、 黄花柳S. caprea、 垂柳S. babylonica以及三蕊柳S. triandra的3个无性系进行抗虫性测定，根据结果将柳树分成抗虫组与非抗虫组，再通过代谢组学技术分析抗虫组与非抗虫组之间的差异次生代谢物，为选育抗虫性强的柳树品种提供依据。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
选取三蕊柳的3个无性系W10、W4、W21，对照包括旱柳K24，黄花柳HHL，垂柳BD3，共6个材料。
1.2 试验方法
1.2.1 抗虫性指标测定
在养虫盒底部放入湿润的滤纸，在每个供试材料上摘取完整嫩叶，用浸湿的棉球包裹叶柄以防止叶片失水，把嫩叶放于湿润的滤纸上，接入相同龄期的30只柳蓝叶甲幼虫，每个材料均设3组重复，每组5片叶，7 d后观察幼虫存活数量并计算存活率。
1.2.2 代谢组学分析
植物代谢组学是一种高通量、无偏倚的综合分析[15]。将供试样品根据抗虫性指标测定的结果分为非抗虫组和抗虫组，采集新鲜叶片，液氮速冻用箔纸包好，−80 ℃冰箱保存备用。基于UPLC-Q-TOF-MS和GC-MS的代谢组学分析方法，对不同样品的代谢谱进行分析[16]。OPLS-DA是代谢组学数据分析中常用的分析方法，是PLS-DA的扩展[17]，通过去除与分组无关的系统自身差异筛选代谢差异物，使分离达到最大化[18]，再通过差异聚类热图分析[19]对样品和指标进行分类。
1.3 数据分析
使用Excel 2010对数据进行整理；使用SPSS 20.0对数据进行独立样本t检验以及相关性分析；使用Origin 8.0作图。用OPLS-DA、单维分析(t检验)和差异倍数筛选组间差异代谢物。筛选获得的差异代谢物用
http://www.hmdb.ca/ 和https://metlin.scripps.edu/ 数据库进行定性。2. 结果与分析
2.1 室内幼虫存活率
由图1可见：喂食黄花柳、旱柳、垂柳的幼虫平均存活率分别为90%、98%、93%，其中，喂食旱柳的幼虫存活率最高。喂食三蕊柳3个无性系的幼虫存活率均为0，在接虫后的第4天全部死亡。因此，把柳树分类非抗虫组(旱柳K24、黄花柳HHL和垂柳BD3)以及抗虫组(三蕊柳的3个无性系W10、W4和W21)。
2.2 正交偏最小二乘法判别分析
由OPLS-DA得分图(图2)显示：不同抗性组合模型参数中R2X=0.615，说明该模型对自变量X的解释程度为61.5%；R2Y=0.997，表示对分类变量Y的解释程度为99.7%；Q2=0.844，表示该模型对样本变量的预测程度为84.4%，说明OPLS-DA模型稳定性良好且预测能力较强。OPLS-DA的得分图显示非抗虫组与抗虫组的数据点在OPLS1上完全区分，表明两者存在明显化学差异。
图 2 非抗虫组与抗虫组OPLS-DA得分图Figure 2 OPLS-DA score chart of non-insect resistant group and insect resistant group2.3 差异代谢物火山图
从图3可以看出：在指定阈值P＜0.01时，共筛选出23种显著差异代谢物。结果显示：抗虫组与非抗虫组比较，其中上调的差异代谢物数目为15种，下调的代谢物数目为8种。
2.4 差异代谢物筛选
不同柳树样本中共检测到651个物质信号，经过标准样品数据库和参考文献比对，对有生物学重复的，采取将差异倍数，t检验的P值和OPLS-DA模型的变量投影重要度(VIP)相结合的方法来筛选差异代谢物，筛选的标准为差异倍数FC＞1，t检验P＜0.01和VIP＞1。由表1可见：经筛选后，非抗虫组与抗虫组共筛选出23种主要的差异代谢产物。其中阿魏酰胍丁胺、抗坏血酸、没食子酸、绿茶儿茶酚、没食子儿茶素、杨梅苷、葡萄酸铜、D-(−)-阿拉伯糖、4-羟基-3-甲氧基肉桂酸乙酯、N-阿魏酰胍丁胺、葡糖酸、2′, 4′, 5, 7-四羟基异黄酮、N-乙酰-DL-色氨酸、异泽兰黄素-3-葡萄糖苷、十六聚甲烷基鞘氨醇等15种产物表现为上调，而槲皮素-3-O-(6″-O-乙酰基)-β-D-吡喃半乳糖苷、橙皮甙、芦丁、聚半乳糖醛酸、2, 5-二羟基苯甲酸、槲皮素O-乙酰己烯苷、3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧化基-β-D-葡萄糖、槲皮素等8种产物表现为下调。并且其中异泽兰黄素-3-葡萄糖苷在非抗虫组中并未检测到，但其在抗虫组的含量较高。
表 1 差异代谢物筛选Table 1 Differential metabolite screening化合物 CAS编号 非抗虫组
代谢物丰度抗虫组
代谢物丰度FC P VIP 调节变化 阿魏酰胍丁胺 N/A 360 000 1 923 333 5.343 0.001 1.708 上调 抗坏血酸 50-81-7 4 197 336 37 266 667 8.879 0.004 1.647 上调 槲皮素-3-O-(6″-O-乙酰基)-β-D-吡喃半乳糖苷 N/A 59 033 333 16 443 333 0.279 0.005 1.643 下调 没食子酸 149-91-7 74 367 501 333 6.741 0.002 1.697 上调 橙皮甙 520-26-3 20 766 667 1 596 673 0.077 0.001 1.695 下调 绿茶儿茶酚 970-74-1 1 613 333 17 633 333 10.930 0.007 1.708 上调 没食子儿茶素 4233-96-9 10 050 000 32 900 000 3.274 0 1.707 上调 杨梅苷 17912-87-7 2 901 667 39 633 333 13.659 0 1.708 上调 芦丁 153-18-4 48 933 333 6 833 339 0.140 0.010 1.618 下调 葡萄酸铜 815-82-7 122 700 521 000 4.246 0.003 1.661 上调 聚半乳糖醛酸 25990-10-7 58 167 30 233 0.520 0.009 1.608 下调 D-(−)-阿拉伯糖 10323-20-3 674 333 1 220 000 1.809 0.010 1.603 上调 4-羟基-3-甲氧基肉桂酸乙酯 N/A 70 100 221 667 3.162 0.008 1.594 上调 N-阿魏酰胍丁胺 N/A 265 000 1 373 333 5.182 0 1.721 上调 2, 5−二羟基苯甲酸 490-79-9 34 966 667 12 733 333 0.364 0 1.692 下调 槲皮素O-乙酰己烯苷 N/A 53 433 333 10 726 667 0.201 0.005 1.627 下调 葡糖酸 133-42-6 526 333 2 393 333 4.547 0.001 1.689 上调 2′, 4′ , 5, 7-四羟基异黄酮 1156-78-1 2 000 003 12 063 333 6.032 0.009 1.594 上调 3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧化基-β-D-葡萄糖 N/A 2 373 333 158 433 0.067 0.002 1.682 下调 槲皮素 20364-84-5 52 666 667 6 833 339 0.130 0.007 1.626 下调 N-乙酰-DL-色氨酸 87-32-1 24 970 264 333 10.586 0.007 1.617 上调 异泽兰黄素 3-葡萄糖苷 N/A 9 31 866 667 3 540 740.740 0.007 1.694 上调 十六聚甲烷基鞘氨醇 N/A 4 260 000 6 223 333 1.461 0.009 1.675 上调 说明：CAS编号是美国化学文摘服务社(chemical abstracts service, CAS)为化学物质编制的登记号；N/A表示该物质并未查询到
CAS编号2.5 差异聚类热图
筛选具有显著差异(P＜0.05)的代谢物进行聚类热图分析，进一步挖掘特征，并对筛选后的差异代谢物归一化处理。由图4显示：抗虫组样本丰度明显区别于非抗虫组样本，抗虫组样本组内也有差异但不明显，非抗虫组中黄花柳的样本成分分布丰度与垂柳和旱柳存在差异。可以看出：能明显划分成4个区域冷暖色差分异，在非抗虫组丰度高而在抗虫组中丰度低的代谢物，为8种下调代谢产物；在抗虫组中丰度高而在非抗虫组中丰度低的代谢物为15种上调代谢物。
3. 讨论与结论
本研究对4种不同柳树无性系进行了室内饲虫，结果显示三蕊柳对柳蓝叶甲表现出了高抗性；通过应用代谢组学方法对非抗虫组与抗虫组的次生代谢产物进行测定，筛选并最终鉴定出23种主要的差异代谢产物。上调次生代谢物包括阿魏酰胍丁胺、抗坏血酸、没食子酸、绿茶儿茶酚、没食子儿茶素、杨梅苷、葡萄酸铜、D-(−)-阿拉伯糖、4-羟基-3-甲氧基肉桂酸乙酯、N-阿魏酰胍丁胺、葡糖酸、2′, 4′, 5, 7-四羟基异黄酮、N-乙酰-DL-色氨酸、异泽兰黄素-3-葡萄糖苷、十六聚甲烷基鞘氨醇等15种。下调次生代谢物包括槲皮素-3-O-(6″-O-乙酰基)-β-D-吡喃半乳糖苷、橙皮甙、芦丁、聚半乳糖醛酸、2, 5-二羟基苯甲酸、槲皮素O-乙酰己烯苷、3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧化基-β-D-葡萄糖、槲皮素等8种。这些差异特定代谢物影响的机制尚待进一步研究。
凌嘉昊[20]通过调查野外虫害等级和室内取食率来对比簸箕柳S. suchowensis和三蕊柳的抗虫性，发现三蕊柳表现出了高抗性，与本研究结果一致；该研究还发现三蕊柳的挥发物会使柳蓝叶甲产生趋避反应，并且鉴定分析显示22种挥发物组分在释放量方面有显著差异。而本研究发现：柳蓝叶甲的幼虫对三蕊柳存在取食行为，在接虫后的第4天全部死亡，表明三蕊柳除挥发物会对柳蓝叶甲产生趋避反应外，其次生代谢产物可能会对柳蓝叶甲幼虫产生毒害作用，或缺乏幼虫生长发育所必需的营养物质而导致其死亡。黄酮类物质是植物中一类重要的次生代谢物质，可以影响昆虫的行为和代谢，使之产生忌避、拒食等行为，破坏昆虫的正常代谢，严重时导致昆虫中毒甚至死亡，是对昆虫有毒的一类次生代谢产物[21]。生物碱是一大类含氮的碱性物质，对昆虫的防御作用主要表现在阻碍昆虫的取食以及引起昆虫中毒2个方面[22]。有研究表明：树木中的酚酸类物质含量越高，对天牛Cerambycidae的抗性就越强，但不同酚酸在不同无性系间的变化规律随其种类的不同而不同[23]。本研究可为培育抗虫性强、性状优良的柳树品种提供理论基础，三蕊柳的具体抗虫机制还有待进一步研究。
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图 1 不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+的吸附等温线
Figure 1 Adsorption isotherm of Cd2+ on MWCNTs with different functional groups
图 3 不同官能团多壁碳纳米管的细菌毒性
Figure 3 Bacterial toxicity of MWCNTs with different functional groups
图 4 不同官能团多壁碳纳米管对Cd2+细菌毒性的影响
Figure 4 Effect of MWCNTs with different functional groups on toxicity of Cd2+ to E. coli
表 1 不同官能团多壁碳纳米管的测定参数
Table 1. Determination parameters of MWCNTs with different functional groups
zeta电位/mV 含氧量/% 电导率/(μS·cm−1) pH 多壁碳纳米管 −9.14 5.654 0.87 6.57 羟基化多壁碳纳米管 −7.19 6.629 1.79 6.10 羧基化多壁碳纳米管 −12.76 11.286 2.98 5.88 氨基化多壁碳纳米管 −8.98 4.581 1.13 7.23 
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表 2 不同碳纳米管对Cd2+的吸附等温线方程拟合参数
Table 2. Regression parameters of adsorption isotherms of Cd2+ onto different MWCNTs
样品 Langmuir方程 Freundlich方程 方程式 qm/(mg·g−1) Kl/(L·mg−1) R2 方程式 n Kf R2 多壁碳纳米管 q=1.002c/(1+0.238c) 4.212 0.238 0.896 q=0.976c0.467 2.108 0.976 0.954 羟基化多壁碳纳米管 q=2.346c/(1+0.273c) 8.593 0.273 0.954 q=2.131c0.473 2.113 2.131 0.994 羧基化多壁碳纳米管 q=7.442c/(1+0.451c) 16.486 0.451 0.989 q=5.103c0.483 2.071 5.103 0.950 氨基化多壁碳纳米管 q=0.386c/(1+0.066c) 5.882 0.066 0.796 q=0.564c0.607 1.647 0.564 0.852
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[1] IHSANULLAH, ABBAS A, AL-AMER A M, et al. Heavy metal removal from aqueous solution by advanced carbon nanotubes: critical review of adsorption applications [J]. Sep Purif Technol, 2016, 157(5): 141 − 161. [2] FIYADH S S, ALSAADI M A, JAAFAR W Z, et al. Review on heavy metal adsorption processes by carbon nanotubes [J]. J Clean Prod, 2019, 230(7): 783 − 793. [3] 常兰, 秦伟超. 碳纳米管表面改性及其吸附水中污染物的研究进展[J]. 化工技术与开发, 2014, 43(3): 43 − 46. CHANG Lan, QIN Weichao. Research progress in surface modification of carbon nanotubes and adsorption of pollutants in wastewater [J]. Technol Dev Chem Ind, 2014, 43(3): 43 − 46. [4] ANSARI A, MEHRABIAN M A, HASHEMIPOUR H. Zinc ion adsorption on carbon nanotubes in an aqueous solution [J]. Pol J Chem Technol, 2014, 13(1): 29 − 37. [5] 聂海瑜, 沈甘霓, 杜凤沛, 等. 碳纳米管对水体污染物吸附的研究进展[J]. 西南民族大学学报(自然科学版), 2015, 41(3): 326 − 330. NIE Haiyu, SHEN Ganni, DU Fengpei, et al. Research progress in adsorption of contaminates from water by carbon nanotubes [J]. J Southwest Univ Natl Nat Sci Ed, 2015, 41(3): 326 − 330. [6] YANG Xiaodong, WAN Yongshan, ZHENG Yulin, et al. Surface functional groups of carbon-based adsorbents and their roles in the removal of heavy metal from aqueous solutions: a critical review [J]. Chem Eng J, 2019, 366: 608 − 621. [7] 杨孝智, 高静, 贺婷婷, 等. 碳纳米管对水体重金属污染物的吸附/解吸性能研究进展[J]. 应用化工, 2011, 40(4): 692 − 695. YANG Xiaozhi, GAO Jing, HE Tingting, et al. Research progress on the adsorption/desorption of heavy metal pollutants on carbon nanotubes in water [J]. Appl Chem Ind, 2011, 40(4): 692 − 695. [8] LIU Shaobin, NG A K, XU Rong, et al. Antibacterial action of dispersed single-walled carbon nanotubes on Escherichia coli and Bacillus subtilis investigated by atomic force microscopy [J]. Nanoscale, 2010, 2(12): 2744 − 2750. [9] LIU Shaobin, WEI Li, HAO Lin, et al. Sharper and faster ‘nano darts’ kill more bacteria: a study of antibacterial activity of individually dispersed pristine single-walled carbon nanotube [J]. ACS Nano, 2009, 3(12): 3891 − 3902. [10] MARTINEZ D S T, ALVES O L, BARBIERI E. Carbon nanotubes enhanced the lead toxicity on the freshwater fish [J]. J Phys, 2013, 429: 012043. doi: 10.1088/1742-6596/429/1/012043. [11] YU Zhiguo, WANG Wenxiong. Influences of ambient carbon nanotubes on toxic metals accumulation in Daphnia magna [J]. Water Res, 2013, 47(12): 4179 − 4187. [12] WANG Fei, YAO Jun, LIU Haijun, et al. Cu and Cr enhanced the effect of various carbon nanotubes on microbial communities in an aquatic environment [J]. J Hazard Mater, 2015, 292(9): 137 − 145. [13] 付勇, 裴建川, 李梅, 等. 多壁碳纳米管和重金属镉的细菌毒性及影响机制[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(2): 319 − 324. FU Yong, PEI Jianchuan, LI Mei, et al. Effects and mechanism of multi-walled carbon nanotubes on the bacterial toxicity of cadmium [J]. J Zhejiang A&F Univ, 2020, 37(2): 319 − 324. [14] 李梅, 裴建川, 付勇, 等. 表面活性剂对二氧化钛纳米颗粒和锌离子复合细菌毒性的影响[J]. 环境化学, 2018, 37(12): 2730 − 2739. LI Mei, PEI Jianchuan, FU Yong, et al. Effect of surfactants on the combined toxicity of TiO2 nanoparticles and zinc ions [J]. Environ Chem, 2018, 37(12): 2730 − 2739. [15] BASSYOUNI M, MANSI A E, ELGABRY A, et al. Utilization of carbon nanotubes in removal of heavy metals from wastewater: a review of the CNT’s potential and current challenges [J]. Appl Phys A Mater Sci Proc, 2020, 126(1): 38. doi: 10.1007/s00339-019-3211-7. [16] XU Jiang, CAO Zhen, ZHANG Yilin, et al. A review of functionalized carbon nanotubes and graphene for heavy metal adsorption from water: preparation, application, and mechanism [J]. Chemosphere, 2018, 195(10): 351 − 364. [17] LI Jiaxing, CHEN Shuyu, SHENG Guodong, et al. Effect of surfactants on Pb(Ⅱ) adsorption from aqueous solutions using oxidized multiwall carbon nanotubes [J]. Chem Eng J, 2011, 166(2): 551 − 558. [18] PEREIRA R F P, VALENTE A J M, BURROWS H D. The interaction of long chains odium carboxylates and sodium dodecylsulfate with lead(Ⅱ) ions in aqueous solutions [J]. J Colloid Interface Sci, 2014, 414(1): 66 − 72. [19] TOFIGHY M A, MOHAMMADI T. Adsorption of divalent heavy metal ions from water using carbon nanotube sheets [J]. J Hazard Mater, 2011, 185(1): 140 − 147. [20] XU Yijun, ARRIGO R, LIU Xi, et al. Characterization and use of functionalized carbon nanotubes for the adsoption of heavy metal anions [J]. New carbon Mater, 2011, 26(1): 57 − 62. [21] 谭凌艳, 杨柳燕, 缪爱军. 人工纳米颗粒对重金属在水生生物中的富集与毒性研究进展[J]. 南京大学学报(自然科学), 2016, 52(4): 582 − 589. TAN Lingyan, YANG Liuyan, MIAO Aijun. Engineered nanoparticle effects on heavy metal bioaccumulation and toxicity in aquatic ecosystem [J]. J Nanjing Univ Nat Sci, 2016, 52(4): 582 − 589. [22] BENNETT S W, ADELEYE A, JI Zhaoxia, et al. Stability, metal leaching, photoactivity and toxicity in freshwater systems of commercial single wall carbon nanotubes [J]. Water Res, 2013, 47(12): 4074 − 4085. [23] 李梅. 水环境中ZnO纳米颗粒对大肠杆菌的毒性及影响因素[D]. 杭州: 浙江大学, 2012. LI Mei. The Toxicity and Impact Factors of ZnO Nanoparticles to Escherichia coli in Aquatic Environment[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012. [24] CORTES P, DENG Shuguang, SMITH G B. The toxic effects of single wall carbon nanotubes on E. coli and a spore-forming Bacillus species [J]. Nanosci Nanotechnol Lett, 2014, 6(1): 26 − 30. [25] HANDY R D, OWEN R, VALSAMI-JONES E. The ecotoxicology of nanoparticles and nanomaterials: current status, knowledge gaps, challenges, and future needs [J]. Ecotoxicology, 2008, 17(5): 315 − 325. [26] QU Yuanyuan, WANG Jingwei, ZHOU Hao, et al. Concentration-dependent effects of carbon nanotubes on growth and biphenyl degradation of Dyella ginsengisoli LA-4 [J]. Environ Sci Pollut Res, 2016, 23(3): 2864 − 2872. -
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20200297
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