金属纳米颗粒由于具有独特的物理化学性质,已被广泛应用于工农业生产及人类日常生活。近年来,金属纳米颗粒在农业可持续发展中也展现出了巨大的潜力,包括纳米农药、纳米肥料及纳米生物调节剂等。农业环境中金属纳米颗粒带来的生态效应已经引起了国内外科学家的广泛关注,然而,金属纳米颗粒对根系微域中微生物群落与代谢功能的影响,目前的理解与认知还较为缺乏。考虑到金属纳米颗粒在环境中将发生形态上的转化,原先金属纳米颗粒的物理化学性质会发生改变,进而可能影响其潜在的生态效应。本研究选择纳米氧化锌（Zn O MNPs）及其硫化产物（s-Zn O MNPs）作为供试材料,设置空白对照组和硫酸锌对照处理组（Zn SO4）,选择大豆作为供试植物,通过开展为期70天的温室盆栽试验,采用高通量测序和代谢组学方法,研究纳米氧化锌及其硫化产物对大豆根系微生物群落与代谢功能的影响规律。主要研究结果如下:1.纳米颗粒制备表征方面,通过水热合成法成功制备了Zn O MNPs和s-Zn O MNPs,并且对纳米颗粒形貌特征、元素组成、水合粒径和ζ电位进行了验证表征。2.大豆生长和锌累积方面,Zn SO4、Zn O MNPs和s-Zn O MNPs三种不同形式锌处理组对大豆根伸长和干重均无显著影响,但是,与低浓度处理组(100 mg·kg-1)相比较,高浓度处理组(500 mg·kg-1)均显著降低了大豆茎叶干重。对于大豆组织锌累积而言,低浓度处理组中,大豆根中锌累积浓度变化趋势为Zn SO4＞Zn O MNPs＞s-Zn O MNPs,茎叶中锌累积浓度变化趋势为s-Zn O MNPs＞Zn O MNPs＞Zn SO4;而在高浓度处理组中,大豆根和茎叶中锌含量累积呈现相同趋势,二者皆为Zn SO4和Zn O MNPs处理组中锌含量无显著差异,且均高于s-Zn O MNPs处理组。3.土壤理化性质及酶活性影响方面,与对照组相比较,Zn SO4高浓度处理组中土壤p H值、可溶性有机碳含量以及过氧化物酶活性均受到显著抑制。土壤铵态氮和硝态氮含量仅在s-Zn O MNPs低浓度处理组中显著升高,s-Zn O MNPs高浓度处理组中土壤总氮含量显著升高。Zn O MNPs和s-Zn O MNPs高浓度处理组中土壤碱性磷酸酶活性受到显著抑制作用。土壤β-1,4葡萄糖苷酶和β-1,4木糖苷酶活性在三种锌高浓度处理组中均受到抑制作用。4.根系微域的微生物群落响应方面,根区土和根际土中,与对照组相比较,仅s-Zn O MNPs低浓度处理组中细菌群落Alpha多样性显著增加,Zn SO4高浓度处理组则对细菌群落Beta多样性影响最大;根和根瘤中,与对照组相比较,三种不同形式锌处理组中细菌群落Alpha多样性均下降,尤其是在高浓度处理组中,s-Zn O MNPs和Zn O MNPs高浓度处理组则分别对根和根瘤中细菌群落Beta多样性影响最大。总之,相比于土壤细菌群落,三种不同形式锌处理组对植物内生细菌群落Alpha多样性影响更大。对于显著影响的细菌类群而言,根区土中:Zn SO4高浓度处理组中放线菌门相对丰度显著降低,拟杆菌门、芽单胞菌门、柄杆菌目和蛭弧菌目相对丰度则显著升高。根际土中:三种锌高浓度处理组中变形菌门相对丰度均显著上调,而厚壁菌门相对丰度则显著下调。另外,Zn SO4高浓度处理组中拟杆菌门、γ变形菌纲和鞘氨醇单胞菌目相对丰度显著上调,Zn O MNPs高浓度处理组中伯克霍尔德菌科和固氮螺菌科相对丰度显著上调,s-Zn O MNPs高浓度处理组中放线菌门、己科河菌门和Blastocatellia＿Subgroup＿4相对丰度显著上调。根中:链孢囊菌目和假诺卡氏菌属在Zn SO4高浓度处理组中显著富集,而s-Zn O MNPs高浓度处理组中仅Neorhizobium相对丰度显著升高。5.根系微域的代谢组学响应方面,根际土中:Zn O MNPs和s-Zn O MNPs高浓度处理组中代谢物整体表达模式显著不同于对照组。三种锌高浓度处理组均显著影响了有机酸、氨基酸、酚类、糖类和黄酮类代谢物相对含量。代谢物通路分析表明,酪氨酸代谢途径在三种锌高浓度处理组中均受到了明显扰动。根中:三种锌高浓度处理组中代谢物变化规律均显著不同于对照组,其中,大多数有机酸代谢物明显下调,而大多数氨基酸、酚类和糖类代谢物相对含量则在暴露于三种锌高浓度处理组中明显上调。代谢物通路分析显示,相比于根际土,三种锌高浓度处理组在大豆根系中诱导了更多的代谢通路扰动,根中半乳糖代谢和苯丙氨酸代谢途径在三种锌高浓度处理组中均受到显著影响。此外,还发现三种锌高浓度处理组中显著变化的细菌类群和代谢物间存在显著相关性,表明三种锌高浓度处理组显著干扰了这些微生物的代谢变化。综上,三种不同形式锌处理组均对大豆根系生长无显著影响,但高浓度处理组均抑制了大豆茎叶的生长;相比于土壤细菌群落,三种不同形式锌处理组对植物内生细菌群落Alpha多样性影响更大,且对于不同根系微域而言,不同形式锌处理组所影响的细菌类群存在差异。代谢物表达水平上,三种锌高浓度处理组均显著影响了根际土和根中的有机酸、氨基酸、酚类、糖类和黄酮类代谢物相对含量;差异细菌类群和代谢物的相关性分析表明,三种锌高浓度处理组显著干扰了这些差异微生物的代谢变化。由大豆根系微域细菌群落和代谢物水平的差异性响应可知,三种不同形式锌处理组对大豆根系微域细菌群落和代谢物的影响机制不相同,Zn O MNPs和s-Zn O MNPs的生态效应不仅包括其溶解产生的锌离子,还包括纳米颗粒自身的影响,同时s-Zn O MNPs也表现出了与原始Zn O MNPs不同的生态效应,表明环境中金属纳米颗粒的转化对于其生态效应具有调控作用。通过本次研究为土壤和植物微生物群落和代谢物对三种不同形式锌暴露的响应提供了新的见解,从而可以全面了解Zn O MNPs的环境风险。