人造纳米材料与土壤微生物的相互作用研究

随着纳米技术的迅速发展，人造纳米材料大量增多，难免会通过各种途径进入土壤环境。已有研究显示，纳米材料可引起生物体的毒性效应，但目前对其陆地生态学影响知之甚少。本项目以几种典型的人造纳米材料即碳纳米材料（富勒烯、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管）、金属及金属氧化物纳米材料（纳米铁、银、金、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅）、量子点（纳米硒化镉、硫化镉）、以及纳米聚合物（纳米聚乙烯、聚苯乙烯）为对象，从微生物数量、群落结构（基因多样性）、酶活性（脱氢酶、脲酶、磷酸酶）、以及生化作用（呼吸、氨化、磷素的转化）四个方面评估其对土壤微生物的生态毒性效应，揭示其致毒机理。在液体富集培养条件下，研究土壤微生物对不同人造纳米材料的降解或转化作用，结合多种纳米材料特性的表征方法，探索其机制，选育鉴定降解碳纳米材料的微生物。以酸碱度和有机质含量为参数，研究微环境条件变化对人造纳米材料与土壤微生物相互作用的影响。

本项目重点研究了不同人造纳米材料（多壁碳纳米管、纳米银、纳米氧化锌和硫化镉量子点）对土壤微生物的生态毒理效应，并进一步研究了纳米氧化锌和硫化镉量子点对土壤微生物毒性的剂量-效应关系、影响因素及作用机制。通过透射扫描电镜、热重分析、X射线荧光衍射和荧光光谱等方法对所研究人造纳米材料的理化性质进行了测定。通过微宇宙实验，从生化作用（呼吸作用和氨化作用）、酶活性（脱氢酶活性和荧光二乙酸酯水解酶活性）、微生物量（16S rDNA基因拷贝数）和群落结构（PCR-DGGE图谱）四方面，研究了多壁碳纳米管和纳米银对土壤微生物的生态毒理效应（实验土壤为褐土，每g土1 mg纳米材料，时间140天），发现荧光二乙酸酯（FDA）水解酶活性显著受到抑制（p<0.05），但其它指标的响应不显著。在纳米氧化锌和硫化镉量子点暴露土壤中（实验土壤为褐土，每g土1-10 mg纳米材料，时间30天），FDA水解酶活性也受到显著抑制（p<0.05）。纳米氧化锌对土壤微生物的抑制存在显著的剂量-效应关系，随着暴露时间的延长，纳米氧化锌对FDA水解酶活性的抑制减弱，剂量-效应关系发生变化。土壤类型对纳米氧化锌的生态毒性有影响。在所研究的三类土壤（红壤、褐土和盐碱土）中，褐土中微生物的脱氢酶活性受纳米氧化锌影响最大，其次为红壤，盐碱土基本不受影响。在土壤环境中，纳米氧化锌直接进入微生物体造成氧化损伤可能是一个主要的毒性机制。