金属氧化物纳米颗粒对土壤微生物群落及甲霜灵转化的影响

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随着金属氧化物纳米颗(MONPs)在农田和其他环境中的使用和排放量的增加,MONPs通过多种途径进入土壤环境,在土壤中的含量逐渐增加。大量研究表明MONPs会影响土壤微生物丰度和群落结构、植物生理性质以及共存污染物的迁移转化。但是,以往研究工作存在MONPs暴露时间短、实验条件和自然环境的实际情况偏差较大等问题。本论文通过室外盆栽实验手段,系统探究了7种粒径相近的MONPs(纳米Ti O2、Mn O2、Fe3O4、Co3O4、Ni O、Cu O、Zn O)对土壤微生物多样性、外消旋体甲霜灵的对映体转化、植物(Lolium perenne L.和Raphanus sativus L.)生长的长期动态影响。论文得到了以下主要研究结论:(1)温室反应条件下,纳米Zn O和Ti O2对微生物群落结构的影响与室内条件下的影响结果相似:纳米Zn O降低了土壤微生物量碳、改变了土壤细菌的群落组成(P<0.05);纳米Ti O2对土壤微生物的影响较小。在室内条件下,两种纳米材料可以促进甲霜灵的化学转化。温室反应条件下,纳米Zn O显著抑制了甲霜灵的转化,且对R-异构体的影响大于S-异构体。纳米Ti O2未显著影响甲霜灵的转化。纳米Zn O抑制了黑麦草的生长,黑麦草促进了甲霜灵在土壤中的转化,增加了土壤细菌对纳米Zn O的抗性。(2)金属氧化物纳米颗粒种类、暴露时间是驱动土壤细菌群落演变的主要因素。纳米Ti O2、Mn O2、Fe3O4、Co3O4、Ni O未显著影响土壤细菌?多样性,纳米Cu O和Zn O显著降低了土壤细菌?多样性;MONPs对土壤细菌群落影响程度排列为Zn O≈Cu O>Fe3O4≈Mn O2>Ni O>Co3O4>Ti O2。纳米Mn O2和Fe3O4在实验后期(35 d-70 d)对土壤细菌群落结构影响较大。纳米Cu O和Zn O对细菌群落影响的时间-效应模式不同:纳米Zn O在暴露初期(0 d-14 d)对土壤细菌群落的影响最显著,其影响后随暴露时间的延长而减缓。纳米Cu O对细菌?多样性的降低和群落结构的改变表现为随暴露时间延长而增强。甲霜灵的转化速率表现为纳米Cu O>纳米Zn O。(3)植物的存在改变了MONPs对土壤细菌和甲霜灵转化的影响:种植黑麦草加大了控制组与纳米Ti O2、Co3O4细菌群落结构的差异性;在种植萝卜土壤中,纳米Fe3O4对甲霜灵降解表现出促进作用,而纳米Zn O对甲霜灵降解表现出抑制作用,其他纳米颗粒对甲霜灵降解影响较小。MONPs的植物毒性与植物种类、纳米颗粒种类有关,萝卜比黑麦草对MONPs更敏感,纳米Ni O、Cu O、Zn O具有较强植物毒性。MONPs会增加其对应金属在植物根和茎叶的积累,不同植物的累积量存在差异。(4)将萝卜和黑麦草收割后,我们进行了MONPs的第二轮影响实验。与MONPs在第一轮结果相比,第二轮中的老化纳米Ti O2、Mn O2、Fe3O4、Co3O4、Ni O对种植植物土壤细菌群落组成和微生物量碳没有显著影响。荧光定量PCR和扩增子测序结果表明纳米Cu O和Zn O并没有显著降低土壤细菌总丰度,但显著降低了细菌?多样性、严重改变了细菌群落组成,说明纳米Cu O和Zn O对土壤细菌的毒性作用有明显的物种差异性。纳米Cu O和Zn O增加了土壤p H值、影响土壤无机氮含量,纳米Mn O2、Co3O4、Ni O、Cu O、Zn O明显增加了土壤有效态Mn、Co、Ni、Cu、Zn含量,进而增加了萝卜和黑麦草体内的金属含量,这与它们的金属溶出性有关。此外,纳米Cu O和Zn O对黑麦草的植物毒性随着老化过程得到减弱。
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