氧化銅納米顆粒對稻田土壤及微生物生態(tài)的作用機制.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)運輸、使用及處置過程中不可避免會進入土壤，對生態(tài)系統(tǒng)及人類健康造成威脅。稻田土壤作為我國典型的濕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，土壤質(zhì)量直接關系到水稻產(chǎn)量及環(huán)境健康。因此，為科學評估金屬納米顆粒的農(nóng)業(yè)生態(tài)及健康風險，推動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作為研究對象，模擬CuO NPs進入稻田土壤的環(huán)境條件，考察CuO NPs在淹水落干過程中的形態(tài)轉(zhuǎn)化及對土壤性質(zhì)及物質(zhì)組成的影響

2、，著重探討CuO NPs對土壤微生物的毒性作用機理及對微生物群落結構和生態(tài)功能的影響機制。主要研究結果如下：
　　(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進入土壤中可迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變，并逐漸向更穩(wěn)定的絡合態(tài)或沉淀態(tài)發(fā)展，且轉(zhuǎn)化規(guī)律與有機質(zhì)含量等土壤性質(zhì)相關。CuO NPs對稻田土壤性質(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離子交換能力等化學性質(zhì)未受影響;包括礦物質(zhì)、有機質(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，且納米顆粒對微生物的影響在土壤其他組分的變化中起了關鍵作用。土壤有機質(zhì)可以在一定程度上緩解CuONPs對土壤性質(zhì)的作用效應。
　　(2)弄清TiO2 NPs和CuO NPs分別以顆粒性質(zhì)和重金屬特性對微生物產(chǎn)生毒性的作用機理。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，CuO NPs和TiO2

4、 NPs均會對稻田土壤微生物及其群落產(chǎn)生一定的擾動，且CuO NPs的作用強于TiO2 NPs。其中TiO2NPs對土壤酶活的影響較為復雜，對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Pearson分析納米顆粒的有效形態(tài)與微生物作用的相關性發(fā)現(xiàn)，TiO2 NPs主要通過其顆粒本身的性質(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，從而對土壤微生物產(chǎn)生了較大的毒害作用。此外，CuO NPs還可通過改變土壤營養(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及其對微生物生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。利用Miseq高通量測序研究發(fā)現(xiàn)，CuO NPs的不同特性對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菌的生長受到了CuO NPs的顯著抑制，相對豐度降低，其中參與氮循環(huán)的微生物對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菌由于CuO NPs顆粒特性的影響，逐漸成為優(yōu)勢菌屬。CuO NPs加劇了水稻根際土壤細菌群落多樣性的消減和群落的演替，嚴重影響了根際土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，水稻根際環(huán)境會影響CuO NPs對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胞與纖維素物質(zhì)之間的接觸和附著，從而促進纖維素降解菌的活性和生長。大量的可溶性有機碳又可進一步為產(chǎn)甲烷菌、鐵還原菌等功能微生物提供豐富的碳源，同時，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，從而促進微生物的產(chǎn)甲烷及鐵還原過程。而參與氮循環(huán)的功能微生物對CuO NPs敏感，但響應