纳米Ag对两种农田土壤异养呼吸及相关微生物的影响

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作物秸秆还田处理是一种普遍使用的改善土壤质量,提高土壤肥力的农业作业措施。秸秆分解过程受到土壤微生物的调控,而污染物的暴露会改变土壤微生物的组成和多样性,从而对秸秆分解产生影响。银纳米颗粒(纳米Ag)作为一种有效的抗菌材料在许多领域有着广泛的应用前景,但同时也会对环境中的微生物产生影响,从而改变微生物所参与的生物地球化学过程。因此此项研究对农田土壤中纳米Ag毒性评价具有重要的意义。本研究通过室内培养实验,探讨不同浓度纳米Ag(10 mg·kg-1和100 mg·kg-1)对济南潮土和黄山红壤两种秸秆还田农田土壤异养呼吸、微生物群落功能多样性、碳转化相关酶活性和功能基因表达的影响,从而揭示了纳米Ag对土壤异养呼吸影响的机理;为了分析纳米Ag对氮转化微生物的影响,以醋酸银作为Ag+对照,分析纳米Ag对土壤反硝化过程的影响及其微生物机制,取得的主要研究结果如下:1、添加小麦秸秆使两种土壤的异养呼吸速率显著升高。而在添加纳米Ag的处理中,10·mg·kg-1和100·mg·kg-1纳米Ag均显著抑制了土壤异养呼吸,且高浓度纳米Ag抑制作用更强。2、纳米Ag对土壤中纤维素酶、β-葡糖苷酶和多酚氧化酶活性产生抑制作用。实时定量荧光分析(q PCR)表明,漆酶-多铜氧化酶基因(LMCO)、糖基水解酶第48家族基因(GB48)以及外切纤维素酶I基因(CBH1)三种功能基因在添加纳米Ag的处理中拷贝数显著下降。表明纳米Ag抑制了降解纤维素、纤维二糖等微生物功能基因的表达,使相关酶活性降低,阻碍了土壤中微生物分解纤维素和木质素等的进程。最终影响外源有机质在土壤中的分解和周转。3、微生物群落水平生理图谱研究(CLPP)表明,在两种土壤中不同浓度的纳米Ag均对微生物群落产生了不利影响。纳米Ag处理后,土壤中微生物碳源利用模式发生改变,Biolog Eco孔板中被有效利用的碳源数量显著减少,AWCD值显著降低,香农-威纳指数和微生物群落丰富度下降。表明纳米Ag使微生物对不同碳源的整体利用能力降低。在两种土壤中土壤粘粒含量是影响纳米Ag毒性的重要因素,在粘粒含量更高的红壤中纳米Ag的生态毒性更低。4、纳米Ag和Ag+(醋酸银)对农田土壤中硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和羟胺还原酶活性产生了抑制作用,同时介导编码反硝化酶的NO2还原酶基因(nos Z)、含cd1的NO2-还原酶基因(nir S)、含铜NO2-还原酶基因(nir K)受两种银影响拷贝数降低,表明纳米Ag和Ag+阻碍了土壤微生物的反硝化进程。对三种功能基因而言,两种银与nir K和nir S的负相关性较强,与nos Z的负相关弱,表明重金属Ag对亚硝态氮的还原过程影响更大,而对氧化亚氮的还原过程影响相对较小。5、微生物群落组成中,酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、罗库菌门(Rokubacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)对Ag相对敏感,其相对丰度在添加Ag后降低。受纳米Ag和Ag+的影响,土壤中假单胞菌属相对丰度降低,同样证实了纳米Ag对土壤反硝化过程具有抑制作用。通过对比纳米Ag和Ag+的实验结果发现,Ag+具有更高的生物毒性,表明Ag+是纳米Ag产生生态毒性的重要原因。
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