草木灰中納米級碳顆粒對綠豆芽生長的影響

屈小涵 李學鳳 黃荷蕤 張越

摘要? ? 為了觀察草木灰中的納米級碳顆粒（以下簡稱碳顆粒）對綠豆發芽及生長的影響，試驗采用透析方法制備了草木灰中的碳顆粒，并用電子顯微鏡進行觀察，確認其納米級別;然后將草木灰中純化出的碳顆粒溶液加入瓊脂糖凝膠中，制備含有碳顆粒的培養基;并將新鮮的綠豆種子分別放置于普通培養基和碳顆粒培養基凝膠上進行培養，待7 d后長出子葉，測量莖葉長度，并使用熒光顯微鏡觀察綠豆芽中碳顆粒的分布與富集情況。結果表明，碳顆粒培養基凝膠上生長的綠豆芽較普通培養基上生長的綠豆芽長度更長，說明草木灰中的碳顆粒具有促進綠豆芽生長的作用。

關鍵詞? ? 綠豆芽;草木灰;納米級碳顆粒;生長

中圖分類號? ? TQ917;S522? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）11-0050-02

草木灰作為肥料應用在我國具有悠久的歷史，最早可以追溯到先秦時期。草木灰的主要成分是碳酸鉀（K2CO3），一般認為其中的鉀鹽等起到了鉀肥的作用。草木灰是一種來源廣泛、成本低廉、養分齊全、肥效明顯的無機農家肥[1-2]，在等鉀量施用草木灰時，草木灰肥效好于化學鉀肥。目前研究認為，草木灰可促使種子提前發芽，長出的苗整齊、健壯，成苗率高，同時促進根系生長。另外，草木灰可以防止落葉、改善水果品質、抑制病蟲害[3]以及提高果樹抗旱性等。草木灰又稱冬灰、藜灰（《本經》）、薪柴灰（《綱目》），是中醫臨床上的一種常用中藥炭藥，“炒炭止血”也是中醫藥的重要理論，比如黃芩炭、大黃炭等。最新研究表明，碳化后的植物藥中具有納米級碳顆粒，并具有生物活性，草木灰發揮止血作用的主要成分就是其中的納米級碳顆粒。

但是查閱文獻并沒有發現關于草木灰中除了鉀離子外，其他成分（如納米級碳顆粒）會不會進入植物并產生作用的相關研究報道。進一步查閱文獻得知，灰燼中較大的顆粒不會溶解，但是其中納米級別的碳顆粒可以形成膠體溶液進入土壤中，而關于其在植物中的分布以及對植物生長的影響也未被研究過。

因此，本試驗設計通過透析的方法除去無機鹽等小分子，從草木灰中純化出納米級碳顆粒。由于納米級別的碳顆粒可以發出藍色熒光[4]，故試驗中使用熒光顯微鏡觀察其在植物中的分布，同時觀察其對植物生長的影響。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗材料

綠豆，購自物美超市;瓊脂糖，購自北京化學試劑有限公司;去離子水，采用哇哈哈純凈水;草木灰，購自北京同仁堂有限責任公司;三角瓶等玻璃用品，購自天津福晨玻璃儀器廠;透析袋：截留分子量為1 000 Da，購自北京瑞達振輝有限公司。

電子顯微鏡（JEM-1230型電鏡（日本）），熒光顯微鏡（奧林巴斯IX73型顯微鏡（美國））。

1.2? ? 試驗方法

1.2.1? ? 草木灰中碳納米顆粒的純化與鑒定。稱取10 g草木灰，用研缽將塊狀的草木灰搗碎成粉末，加入50 mL去離子水，充分攪拌，混勻，形成混懸液。靜置30 min后，棄去沉淀，以除去不溶解的大顆粒。上清液裝入截留分子量為1 000 Da的透析袋中，透析3 d，中間多次換液，以去除鹽類等小分子物質，得到的透析液為膠體溶液。將膠體溶液滴到銅片上，使用有機金屬研究所的JEM-1230型電子顯微鏡對膠體溶液中的碳顆粒進行觀察。

1.2.2? ? 植物培養基的制備。稱取0.3 g瓊脂糖，置于三角瓶中，加入30 mL TBE緩沖液，將該三角瓶置于微波爐中加熱至瓊脂糖溶解，待瓊脂糖冷卻至60 ℃以下后，加入5 mL草木灰水煮并透析后的溶液（將小分子化合物去除，只剩納米級碳顆粒）;以加入等體積水溶液為對照。將配制好的凝膠倒入三角瓶中，室溫靜置冷卻。

1.3? ? 綠豆種子培養與觀察

待凝膠凝固后，將新鮮、顆粒均一、飽滿的綠豆種子隨機分組放置于凝膠上，三角瓶用扎有氣孔的保鮮膜封口，然后放入恒溫恒濕箱中，25 ℃培養，并設置12 h光照、12 h黑暗模擬晝夜變化。1～2 d后，綠豆相繼開始發芽;7 d左右胚乳基本消失，根系開始發達，并長出2片子葉。在培養7 d后，統計發芽率并用直尺測量生長狀態;切取豆芽根、莖、葉制成切片，使用奧林巴斯IX73型熒光顯微鏡觀察切片。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 草木灰中碳納米顆粒的純化與鑒定

從圖1可以看出，草木灰中存在6～8 nm的球形碳納米顆粒。

2.2? ? 碳納米顆粒在植物中的分布

由于納米級別的碳納米顆粒可以發熒光，故可以在碳納米顆粒處理組觀察到明顯的熒光，如圖2（a）所示;而對照組則觀察不到熒光，如圖2（b）所示。從圖3可以看出，通過熒光顯微鏡可以觀察到，在根、莖、葉中出現了明亮的藍色熒光。從圖4、5也可以看出，植物莖中的導管、篩管及葉脈中充滿了藍色熒光。這表明碳顆粒在這些部位均有分布，因而可以推測這些碳顆粒首先被植物根部攝取，并通過莖中的導管向上運輸，最終在子葉的葉脈中富集。

2.3? ? 碳納米顆粒對綠豆芽長度的影響

通過測量與統計發現，2個處理組之間綠豆的發芽率沒有差異，均為9粒種子中有8粒發芽，且對綠豆芽的生長形態影響不明顯（圖6），而在綠豆芽生長長度（圖7）上，碳納米顆粒溶液組較對照組有顯著提高，這意味著碳納米顆粒可能對植物的生長有利。

3? ? 結論與討論

早在數千年前，中國古人就知道通過燒荒提高土壤肥力。現代研究一般認為，燃燒后的灰燼會為植物生長提供鉀肥、氮肥等營養，但是并沒有認為灰燼中的碳顆粒在其中起到作用。在本試驗中，借助納米級碳顆粒的熒光特性，觀察到了其可以被植物攝取并吸收富集，最終還對植物的生長產生了正向影響。這說明去除小分子之后的草木灰碳納米顆粒可以被植物吸收并能促進生長，草木灰對植物生長的影響并不只是單純通過鉀、氮離子的作用，而且還與其中含有的碳顆粒具有密切關系。目前，尚不清楚是通過何種方式使其促進了豆芽的生長，而且其是否能提高光合作用效率、促進植物對養分的吸收或加快植物的新陳代謝等仍需要通過進一步開展合理的對照試驗來證明。本試驗只是宏觀觀察了豆芽的生長，對于碳顆粒是否在微觀上影響了?其他觀測不到的性質目前尚不能確定。因此，如果條件允許，可以通過檢測植物基因組及轉錄組的變化來全面探究碳顆粒對植物微觀上的影響。

本試驗僅僅觀察到了植物對納米級碳顆粒的吸收、分布與富集，并發現了碳顆粒可能對植物的生長有利;但是并不清楚是否只有來源于草木灰的碳納米顆粒對植物生長有利。因此，在后續工作中將進一步考察不同來源的碳納米顆粒在植物中的分布情況和對植物生長的影響。同時，在本試驗中，雖然發現了碳顆粒有促進植物生長的作用，但是其具體的作用機制尚不明確，下一步應對其具體機制進行研究。

草木灰中的碳納米顆粒可以被植物吸收并能促進植物生長，這一發現可能對農業生產具有巨大的意義和潛在應用價值。目前，促進植物生長的因素主要有氮肥、磷肥、鉀肥、生長因子、土壤微生物及光照等[5-6]，而通過草木灰進入土壤中的碳納米顆粒對植物生長的影響研究十分有限，本研究為尋找促進植物生長的方法提供了一個全新的角度。

4? ? 參考文獻

[1] 胡瑞軒.草木灰的積攢和施用[J].農民致富之友，1999（3）：13.

[2] 石峰，李楠，郭梓涵，等.草木灰顆粒肥對土壤速效養分的影響[J].河南農業，2016（20）：33-34.

[3] 趙金.草木灰防治果樹病害的作用[N].陜西科技報，2018-11-13（006）.

[4] 顏范勇，鄒宇，王猛，等.熒光碳點的制備及應用[J].化學進展，2014，6（1）：61-74.

[5] 趙啟蒙.用于植物生長補光的LED照明系統研究[D].上海：復旦大學，2012.

[6] 吳建鋒，林先貴.土壤微生物在促進植物生長方面的作用[J].土壤，2003，35（1）：18-21.