纳米银对河口潮滩沉积物硝酸盐异化还原过程的影响

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:asnbgq
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由于过量活性氮输入导致河口近岸氮循环过程被严重干扰,造成水体富营养化、有害藻类赤潮和近海低氧区等一系列生态环境问题频繁发生,硝态氮削减途径研究已然成为当今国际河口海岸科学研究领域内的热点。硝酸盐异化还原过程(反硝化、厌氧氨氧化(Anammox)及硝酸盐异化还原为铵(DNRA))作为氮循环的重要环节,在氮素的生物地球化学循环中起着重要作用。反硝化和Anammox过程可以将硝态氮或者氨氮转化为氮气,是河口近岸生态系统中重要的活性氮削减途径,而DNRA过程则是将硝酸盐转化为生物活性更高的铵盐继续存留在环境中,造成生态环境进一步恶化,对氮素在河口海岸区域的迁移转化具有重要影响。纳米银(AgNPs)是指粒径在1-100 nm之间的单质银粒子,由于具有良好的光电、催化、超导性能和杀菌消毒活性,AgNPs被用于众多领域和消费产品中,成为目前应用最为广泛的商品化纳米材料。AgNPs大规模商业化应用的同时,也会在其生产制造、使用及废弃的过程中通过各种途径进入自然环境并持续累积,其安全性受到国内外众多学者的广泛关注。河口近岸是连接海洋与大陆的重要过渡带,是容纳净化陆源污染物的重要屏障,同时在控制全球氮循环过程的平衡与稳定中也发挥着十分重要的作用。人类活动会导致毒性污染物在河口海岸环境富集,但AgNPs赋存和累积对河口氮转化过程的影响尚不清楚。为此,本文以长江口作为研究区域,通过进行不同粒径(10 nm、30 nm和100 nm)及不同浓度(0 mg/L、0.1 mg/L、5 mg/L和10 mg/L)AgNPs暴露实验,初步探究了AgNPs对河口潮滩反硝化、Anammox和DNRA速率的影响,并通过荧光定量QPCR技术进一步测定了反硝化菌nirS基因、nirK基因及Anammox菌16S rRNA基因丰度的变化情况。研究结果对于评价金属纳米材料对河口氮循环过程的潜在影响具有一定的科学意义。研究取得的主要成果如下:(1)采用泥浆培养实验结合同位素示踪技术揭示了AgNPs对河口潮滩湿地沉积物反硝化、Anammox及DNRA速率的影响。本研究发现,AgNPs对不同盐度沉积物反硝化速率、Anammox速率及DNRA速率均具有浓度抑制效应,但其抑制率并未随时间延长而明显增大。AgNPs对河口沉积物DNRA速率抑制率最高达33.2%,低于反硝化和Anammox过程(抑制率最高分别为:72.5%和73.5%)。(2)AgNPs粒径、浓度及沉积物盐度均是影响AgNPs毒性效应的重要因素。研究表明,低浓度条件下,小粒径AgNPs(10 nm)毒性大于30 nm和100 nm粒径,对沉积物反硝化、Anammox及DNRA速率具有较大的抑制作用;但当AgNPs浓度进一步增加时,30 nm和100 nm粒径的AgNPs对反硝化、Anammox及DNRA速率抑制率明显增大,毒性大于10 nm粒径AgNPs。反硝化、Anammox及DNRA过程中AgNPs粒径毒性发生变化相对应的浓度分别为:5 mg/L、10 mg/L和10 mg/L。尽管AgNPs释放的Ag+浓度随沉积物盐度变化有明显的分布特征,但不同沉积物盐度处理组间反硝化速率、Anammox速率和DNRA速率变化率差异并不显著(P>0.05)。AgNPs释放的Ag+浓度与反硝化、Anammox及DNRA速率抑制率均不存在显著的正相关关系(P>0.05),反映AgNPs释放的Ag+对硝酸盐异化还原过程存在一定的抑制作用,但并不能完全解释AgNPs的毒性作用特征。(3)运用分子生物学技术,基于反硝化nirS基因、nirK基因及Anammox菌16S rRNA基因,研究了AgNPs对脱氮过程(反硝化和Anammox)相关基因丰度的影响。nirS基因、nirK基因和Anammox菌16S rRNA基因在空白组中的丰度分别为0.11×109-0.77×109 copies g-1、3.27×107-10.52×107 copies g-1和0.16×107-2.04×107 copies g-1。而AgNPs处理组中,nirS基因、nirK基因和Anammox菌16S rRNA基因丰度分别为0.09×109-0.9×109 copies g-1、0.27×107-10.32×107copies g-1和0.25×107-2.38×107 copies g-1。结果表明,与空白组相比,AgNPs刺激反硝化菌nirS基因丰度和Anammox菌16S rRNA基因丰度增加,分别高达37.1%和6.1%。本研究区域内反硝化菌nirK基因丰度低于nirS基因,Anammox菌16S rRNA基因丰度次之。此外,AgNPs显著抑制了反硝化菌nirK基因丰度,抑制率高达80.2%。反硝化菌nirS基因丰度和反硝化速率之间不存在显著线性相关(P>0.05),而nirK基因丰度与反硝化速率显著相关(P<0.05),暗示nirK基因比nirS基因对AgNPs的胁迫更加敏感,更容易受AgNPs影响并进一步抑制反硝化速率。
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