氧化銅納米顆粒對(duì)稻田土壤及微生物生態(tài)的作用機(jī)制.pdf

1、隨著納米科技的不斷發(fā)展，大量金屬納米顆粒在生產(chǎn)運(yùn)輸、使用及處置過(guò)程中不可避免會(huì)進(jìn)入土壤，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人類健康造成威脅。稻田土壤作為我國(guó)典型的濕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，土壤質(zhì)量直接關(guān)系到水稻產(chǎn)量及環(huán)境健康。因此，為科學(xué)評(píng)估金屬納米顆粒的農(nóng)業(yè)生態(tài)及健康風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)納米科技健康可持續(xù)發(fā)展，本論文以典型金屬納米顆粒CuO NPs作為研究對(duì)象，模擬CuO NPs進(jìn)入稻田土壤的環(huán)境條件，考察CuO NPs在淹水落干過(guò)程中的形態(tài)轉(zhuǎn)化及對(duì)土壤性質(zhì)及物質(zhì)組成的影響

2、，著重探討CuO NPs對(duì)土壤微生物的毒性作用機(jī)理及對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的影響機(jī)制。主要研究結(jié)果如下：
　　(1)闡明CuO NPs在稻田土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律，證明CuO NPs輸入會(huì)影響稻田土壤理化性質(zhì)及物質(zhì)組成的變化。研究發(fā)現(xiàn)CuO NPs進(jìn)入土壤中可迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變，并逐漸向更穩(wěn)定的絡(luò)合態(tài)或沉淀態(tài)發(fā)展，且轉(zhuǎn)化規(guī)律與有機(jī)質(zhì)含量等土壤性質(zhì)相關(guān)。CuO NPs對(duì)稻田土壤性質(zhì)造成了不同程度的影響:其中，CuO NPs的金屬特征會(huì)影

3、響土壤pH、Eh、Ec等環(huán)境因子的變化，而土壤吸附能力和陽(yáng)離子交換能力等化學(xué)性質(zhì)未受影響;包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和微生物在內(nèi)的土壤固榴組分均受到CuO NPs的顯著影響，且納米顆粒對(duì)微生物的影響在土壤其他組分的變化中起了關(guān)鍵作用。土壤有機(jī)質(zhì)可以在一定程度上緩解CuONPs對(duì)土壤性質(zhì)的作用效應(yīng)。
　　(2)弄清TiO2 NPs和CuO NPs分別以顆粒性質(zhì)和重金屬特性對(duì)微生物產(chǎn)生毒性的作用機(jī)理。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，CuO NPs和TiO2

4、 NPs均會(huì)對(duì)稻田土壤微生物及其群落產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，且CuO NPs的作用強(qiáng)于TiO2 NPs。其中TiO2NPs對(duì)土壤酶活的影響較為復(fù)雜，對(duì)土壤微生物量及群落組成的影響較小;而CuO NPs的施加則顯著降低了土壤微生物量、酶活、微生物群落的組成及生物多樣性。通過(guò)Pearson分析納米顆粒的有效形態(tài)與微生物作用的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，TiO2 NPs主要通過(guò)其顆粒本身的性質(zhì)影響土壤微生物，而淹水稻田土壤中的CuO NPs由于具有高度的溶解性和重金

5、屬生物有效性，從而對(duì)土壤微生物產(chǎn)生了較大的毒害作用。此外，CuO NPs還可通過(guò)改變土壤營(yíng)養(yǎng)元素的可利用能力間接影響土壤微生物的生存和發(fā)展。
　　(3)揭示了CuO NPs作用下水稻根際微生物群落的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CuONPs顆粒及重金屬特性的微生物差異響應(yīng)及其對(duì)微生物生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。利用Miseq高通量測(cè)序研究發(fā)現(xiàn)，CuO NPs的不同特性對(duì)不同菌屬造成了相反的影響:由于CuO NPs的金屬毒害作用，以Chloroflexi

6、為代表的大部分根際細(xì)菌的生長(zhǎng)受到了CuO NPs的顯著抑制，相對(duì)豐度降低，其中參與氮循環(huán)的微生物對(duì)CuO NPs高度敏感;而包括纖維素降解菌、鐵還原菌和硫還原菌等部分細(xì)菌由于CuO NPs顆粒特性的影響，逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌屬。CuO NPs加劇了水稻根際土壤細(xì)菌群落多樣性的消減和群落的演替，嚴(yán)重影響了根際土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，水稻根際環(huán)境會(huì)影響CuO NPs對(duì)根際微生物群落的調(diào)控作用。
　　(4)明確了CuO NPs調(diào)控水

7、稻根際特殊微生物功能的耦合作用，從而影響了稻田土壤物質(zhì)循環(huán)。利用Q-PCR技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)CuO NPs可以利用特殊的顆粒特性增加微生物細(xì)胞與纖維素物質(zhì)之間的接觸和附著，從而促進(jìn)纖維素降解菌的活性和生長(zhǎng)。大量的可溶性有機(jī)碳又可進(jìn)一步為產(chǎn)甲烷菌、鐵還原菌等功能微生物提供豐富的碳源，同時(shí)，CuO NPs還可利用其特殊的納米顆粒特性直接參與微生物間的電子傳遞，從而促進(jìn)微生物的產(chǎn)甲烷及鐵還原過(guò)程。而參與氮循環(huán)的功能微生物對(duì)CuO NPs敏感，但響應(yīng)