纳米ZnO影响典型农田土壤外源有机质分解的微生物机制研究

Soil organic matters play the important roles in both the supply of soil nutrition and increasing the soil carbon sink. The toxicity of metal oxide nanoparticles will affect the soil microorganism. Thus, it affects the decomposition of soil organic matter. And the contents of soil organic matters will be changed. The typical agricultural soil from Shandong Province will be selected to study in this proposal. The laboratory microcosm is designed and the experiment is implemented after the combined addition of 13C-wheat straw and different stable component (13C-ligin and 13C-cellulose) with zinc oxide nanoparticles. The 13C isotope tracing and molecular ecological methods. The effects of toxicity of zinc oxide nanoparticles on the accumulation of soil organic matters, the pollution toxicity of zinc oxide nanoparticles, the responses of mineralization and transformation of soil organic matter and components with different stability to zinc oxide nanoparticles, and correlation of decomposition of exogenous soil organic matters and the quantities, structures of soil microbes and enzyme activities will be studied. The results will reveal the laws of toxicity of zinc oxide nanoparticles on the decomposition of soil organic matters and define the toxicity of zinc oxide nanoparticles. The microbial mechanisms of exogenous soil organic matter will be elucidated. These results will not only enrich the theory of toxicity of zinc oxide nanoparticles, but also provide the scientific evidence for the assessments of ecological risk.

土壤有机质具有提供土壤养分和增加土壤碳汇的双重功能。金属氧化物纳米颗粒对土壤微生物的毒性作用必将影响微生物所驱动的有机质的分解，从而改变土壤有机质的含量。本项目以山东典型农田土壤为研究对象，通过13C-小麦秸秆及其不同稳定性组分（13C-木质素、13C-纤维素）与不同浓度纳米ZnO组合添加的室内模拟试验，采用13C同位素示踪技术和分子生态学方法相结合，开展纳米ZnO的污染毒性对土壤有机质积累的毒性效应、土壤外源有机质及其不同稳定性组分矿化和转化对纳米ZnO的响应特征、外源有机质及其不同稳定性组分分解转化改变与微生物功能群的数量、结构及土壤酶活性变化的关系的研究，明确纳米ZnO对土壤微生物的毒性作用强度，揭示纳米ZnO对外源有机质分解的毒性作用规律，阐明纳米ZnO影响不同稳定性外源有机质组分分解的微生物机制，丰富和完善纳米ZnO的毒性作用理论，为纳米ZnO的生态风险评价提供重要科学依据。

土壤有机质具有提供土壤养分和增加土壤碳汇的双重功能。本项目以山东典型农田土壤为研究对象，通过13C-小麦秸秆及其不同稳定性组分（13C-木质素、13C-纤维素）与不同浓度纳米ZnO组合添加的室内模拟试验，开展土壤外源有机质及其不同稳定性组分矿化和转化对纳米ZnO的响应特征、外源有机质及其不同稳定性组分分解转化改变与微生物功能群的组成、结构及土壤酶活性变化的关系的研究。在此基础上，拓展了纳米Ag与微塑料复合污染对土壤氮转化及功能微生物影响的研究。主要结果与结论如下：（1）纳米ZnO对土壤呼吸的影响取决于其浓度，高浓度的ZnO（500 mg kg-1）抑制土壤细菌和真菌的群落形成。高浓度的ZnO多酚氧化酶和纤维二糖水解酶活性在污染28天时显著降低，在污染84天时对多酚氧化酶活性影响不显著。高浓度的ZnO代谢商 (qCO2)降低，揭示了土壤呼吸与土壤酶活性的变化归因于微生物对不同浓度Zn2+的吸收从而影响土壤微生物活性；（2）纳米ZnO污染处理后，显著抑制了SOC、MBC和DOC的δ13C值，表明秸秆碳转化受抑制，其可能机制是纳米ZnO改变了土壤中降解纤维素和木质素的功能基因丰度;（3）纳米Ag污染改变了土壤酶活性和功能微生物丰度，从而影响土壤碳转化，其中，不同土壤类型中低浓度的纳米Ag对碳转化相关酶的影响表现出一致性，低浓度有一定的激活作用，高浓度通过抑制纤维素酶和β-葡糖苷酶的活性，抑制了纤维素以及外源有机质的分解；（4）筛选出了纳米材料与不同粒径的微塑料复合污染下不同代谢途径的微生物菌群，明确了单一和复合污染对氮转化各环节中的影响，揭示了复合污染对氮转化过程的影响的微生物机制。本项目完成了预期的研究目标，研究结果为丰富和完善纳米材料的毒性作用理论及其生态风险评价提供重要科学依据。取得相关成果16件， SCI或EI索引论文14篇，中文核心期刊论文1篇，获得科技奖励1项。线上线下参加国内外召开的国际学术会议12次。培养硕士研究生11名，已毕业硕士研究生10名。