纳米农药环境生物效应的代谢组学与宏基因组学研究

Nanopesticide plays more and more important role in sustainable agriculture, which lead to the increasingly release of nanopesticide into the environment. Understanding their environmental behavior and biological impact is of great important. In this project, metabolomics and metagenomics platforms were used to investigate the impact of inorganic nanopesticides (nano-Ag、nano-SiO2、nano-TiO2) on crop plants and soil microbes. Using non-target metabolomics, the global metabolic response of crop plants to nanopesticides were studied, and the results will elucidate the underlying toxicity and detoxification mechanism. Soil metagenomics will help approach the insight into the effect of nanopesticide on soil microbial communities and functional genes. In addition, by determining all the low molecular weight metabolites released by the soil microbial, the holistic metabolic response of soil microbe to nanopesticide will be approached. The established “soil metabolomics” will be a fast and high-throughput method to study the impact of nanopesticide on soil microbial communities. Those results will help to understand the environmental behavior and biological impact of nanopesticides. Importantly, soil metabolomics integrated with metagenomics employed in this project will become a powerful tool to study the environmental impact of other contaminants.

纳米农药在可持续农业中的极大应用前景导致人工纳米物质持续释放到环境中，有关纳米农药的环境行为和风险评估极其重要。本项目拟采用代谢组学和宏基因组学技术，研究nano-Ag、nano-SiO2、nano-TiO2等典型无机纳米农药对植物和土壤微生物生物效应的影响，包括：（1）采用非靶向代谢组学，研究纳米农药胁迫下，植物体内小分子代谢产物的整体响应，从分子水平上阐明纳米农药对植物的潜在毒性和植物解毒机理；（2）采用宏基因组学，研究纳米农药对土壤微生物群落结构和功能的影响；（3）基于土壤中所有土壤微生物释放的小分子代谢产物，建立土壤代谢组学，研究土壤代谢产物对纳米农药的整体响应，建立快速、高通量评估纳米农药对土壤微生物影响的方法。研究结果将为评价纳米农药的环境行为和风险、设计安全纳米农药提供理论依据；项目中所采用的土壤代谢组学-土壤宏基因组学的联合组学方法也将为研究污染物环境风险提供有力工具。

纳米技术有望成为继绿色绿色革命之后的又一次农业的大重大变革。越来越多的证据表明，纳米材料在纳米农药、纳米肥料、纳米传感器等方面表现优异。而纳米农药应用于农业的前提是充分了解其对环境的影响。在众多的纳米材料中，纳米银、纳米二氧化硅及纳米二氧化钛是最有潜力做为纳米农药应用于农业的纳米材料。因此，本项目探究了三种纳米材料对植物和土壤微生物的生物效应。采用植物代谢组学、土壤代谢组学、土壤16S相结合的手段，从分子水平上研究了植物和土壤微生物对三种纳米材料的响应。重要结果包括：1）纳米银在低剂量下对植物和土壤微生物是正向刺激作用，能够增加水稻产量以及土壤微生物的丰度；2）高剂量纳米银引发植物和土壤微生物活性氧爆发、产生氧化胁迫；3）三种纳米材料相比，纳米银对土壤微生物的刺激作用最大，其次是纳米二氧化钛，二氧化硅对土壤微生物的影响最低。本研究的意义在于：1）采用非靶向代谢组学，研究纳米材料暴露下植物体内小分子代谢产物的整体响应，从分子水平上阐明纳米农药对植物的潜在毒性和植物解毒机理；2）本研究同时开拓了利用土壤代谢组学平台从分子层面上探究纳米材料对土壤代谢产物的影响，建立了快速、高通量评估纳米农药对土壤微生物影响的方法；3）本研究的结果为正确评估纳米银的环境风险提供了有价值的数据，以往的研究因为暴露剂量过高，很可能过高的估计了纳米银的环境和生态风险，而忽略或低估了纳米银潜在的正向作用。这些研究结果将为准确评估纳米农药的环境行为和生态风险、设计安全纳米农药提供理论依据。