三种典型纳米颗粒对土壤微生物及酶活性的对比研究

摘要

纳米颗粒种类繁多,而纳米银颗粒(AgNPs)、纳米氧化锌颗粒(ZnO NPs)和纳米富勒烯颗粒(nC60)是目前应用最多且最具代表性的纳米颗粒.大量纳米颗粒随着制造、使用和废弃过程中泄露到环境中,而土壤是纳米颗粒进入环境最主要的归宿.土壤中的微生物是地球上最为丰富多样的生物种群之一,土壤中的土壤酶对地球物质循环具有重要的作用,土壤微生物和土壤酶是土壤扰动的敏感性指标.因此研究纳米颗粒对土壤微生物和土壤酶的影响具有重要的意义. 本文将三种典型纳米颗粒(AgNPs代表金属纳米颗粒、ZnO NPs代表金属氧化物纳米颗粒和nC60代表碳纳米颗粒)投入土壤中(同时设置对应的可溶离子及衍生物的试验对照),经过不同暴露浓度(0、1、10、100μg/g)和暴露时间(0、1、3、6、10、15天),测定三种土壤酶活性(脱氢酶、脲酶、磷酸酶),探究纳米颗粒对土壤酶活性的影响机理.结果显示纳米银颗粒和银离子对酶活性影响显著,并均与暴露浓度呈现显著相关性,中高浓度(10、100μg/g)的纳米银和银离子均可显著抑制土壤脱氢酶活性和脲酶活性,银离子的影响更为显著和急促,低浓度(1μg/g)的纳米银颗粒对脱氢酶活性具有轻微激发作用而低浓度的银离子具有轻微抑制作用.高浓度的纳米银颗粒对磷酸酶活性具有轻微抑制作用,而高浓度的银离子对磷酸酶活性具有显著抑制.纳米氧化锌颗粒和富勒烯颗粒对三种酶活性均无显著影响,而锌离子和富勒醇对土壤酶活性有着微小的影响. 研究三种典型纳米颗粒对土壤微生物在不同暴露浓度(0、1、10、100μg/g)和暴露时间(0、3、15天)下的影响,结果显示三种典型纳米颗粒对土壤细菌丰度的影响大小排序为:AgNPs＞ZnO NPs＞nC60.通过研究不同处理(第0天加药前D.0、加药后第3天D.3.CK、D.3.AgNPs、D.3.ZnONPs、D.3.nC60和加药后第15天D.15.CK、D.15.AgNPs、D.15.ZnONPs、D.15.nC60)下土壤细菌群落发现,土壤细菌群落多样性的排序为:D.0＞D.3.CK≈＞D.15.ZnONPs≈＞D.3.nC60≈＞D.15.nC60≈＞D.15.CK≈＞D.3.ZnONPs＞D.3.AgNPs＞D.15.AgNPs.通过对土壤细菌群落结构变化的分析发现,纳米银颗粒处理组的细菌群落结构变化较大,随着培养时间Proteobacteria和Bacteroidete逐渐占据绝对优势,其他菌门占比逐渐变小,而其他处理组细菌群落结构变化不大.厌氧菌和好氧菌表现出相似影响,即均对培养环境的变化有一定的抵抗力,但是对AgNPs胁迫均敏感,对ZnO NPs有少量应激作用,对nC60无明显反应.在胁迫较强的纳米银颗粒处理组中,革兰氏阳性菌的耐受能力高于革兰氏阴性菌.Cupriavidus、Bradyrhizobium、Pseudomonas、Bacillus、Nitrospira等参与氮循环的菌属对纳米颗粒的胁迫不敏感.通过对不同处理方式的土壤细菌群落进行差异性分析发现,影响土壤细菌群落的因素主要有培养时间和纳米颗粒胁迫的种类,与对照组相比,只有纳米银颗粒处理组的差异性明显,并且不同培养时间的样品之间也具有明显的差异.

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