苜蓿根际土壤微生物群落及其与宿主互作对纳米氧化锌环境转化过程的响应

While biological and environmental behavior of manufactured nanoparticles (NPs) has been studied extensively, the majority of these studies have used pristine NPs which have not undergone extensive environmental transformations. Given that soils are likely the ultimate sink for a large proportion of NPs in terrestrial ecosystemecosystems, this is a critical gap in our basic understanding of their chemical speciation transformation and ecotoxicology. In the present study, pristine ZnO NPs, and phosphate and sulfide aged ZnO NPs are selected as the tested NPs and the process of further environmental transformation in soil-plant system will be investgated via synchrotron-based techniques. Moreover, we will thoroughly characterize NPs toxicity and bevavior through the interaction of rhizosphere soil microbial and their host legume (Medicago truncatula) response to the environmental transformation of NPs in the realistic long-term exposure scenarios at low concentrations. We also will assess the impact of NPs exposure on the process of nitrogen fixation in the legume-rhizobia symbiosis. Because this project focuses on development of fundamental principles rather than material specifics, it will be readily applicable to other classes of NPs either currently existing or yet to be developed. The combined benefits of our studies provide the necessary background studies and experimental resources needed to make a significant contribution to the Environmental Health and Safety of Nanomaterials.

关于纳米颗粒的环境行为与生物效应的研究近年来已经逐渐开展，但是基于土壤介质将纳米颗粒的形态转化与其生物效应的关联研究目前还较为缺乏。考虑到纳米颗粒在进入土壤环境前期其化学形态特征已发生改变，本项目以原始态纳米氧化锌以及老化态纳米产物硫化锌与磷酸锌为主要材料，选择根际土壤微生物群落及其互作宿主-豆科植物蒺藜苜蓿为受体材料，在黄土高原典型土壤塿土暴露介质中，通过低浓度长期暴露方式，采用同步辐射相关技术深入分析并揭示纳米氧化锌在土壤-植物体系中形态转化的微观机制；与此同时重点探析土壤微生物-植物相互作用的根际微生态效应对纳米氧化锌转化过程的响应机制，并且探讨豆科-根瘤菌共生体系生物固氮进程可能受到的潜在胁迫效应。本项目可望为今后纳米材料土壤生物效应研究提供新的思路，以期为更加准确有效地评估纳米材料的环境健康风险提供科学依据。

纳米级农用化学品（纳米肥料和纳米农药等）逐渐应用于实际农业生产中。然而，由于这些纳米产品在实际情况中的广泛应用，纳米材料的环境安全性以及对农业生态系统产生何种影响，引起了国内外的关注。纳米颗粒进入土壤中会经历团聚、溶解和转化等环境化学过程，可能会改变其原先纳米颗粒本身的生态毒理效应。本研究首先发现了ZnO NPs进入土壤经环境转化后，纳米硫化锌s-ZnO NPs是主要老化产物之一。通过室内盆栽模拟实验，设置ZnO NPs与其老化产物s-ZnO NPs土壤暴露的不同剂量水平，以豆科植物蒺藜苜蓿和大豆作为受体植物，从生理、亚细胞、基因表达和代谢等多水平层次视角，研究豆科植物生长发育和根瘤菌共生固氮应答ZnO NPs与其老化产物s-ZnO NPs暴露胁迫的差异性特征；同时，探究了苜蓿和大豆根际微域微生物群落结构与功能装配的响应过程，阐释了农田土壤中植物-微生物互作、根际微生态调控、根际营养与代谢等方面对于ZnO NPs环境转化的动态响应过程。研究主要发现：1）纳米颗粒溶解释放的Zn2+是产生毒性效应的一个主要因素；2）整合转录学和代谢组学分析发现ZnO NPs和s-ZnO NPs暴露胁迫对于豆科植物的毒性机制显著不同于离子态锌（ZnSO4），s-ZnO NPs也表现出不同于原始态ZnO NPs的毒性作用机制；3）植物内生细菌群落alpha多样性受到的扰动性较根际和根围剧烈，s-ZnO NPs对于根际土和根内细菌群落结构产生的影响作用最为显著，主要干扰了土壤-植物体系中碳氮养分循环与代谢过程；4）揭示了根际代谢介导的豆科植物-土壤-微生物互作过程对ZnO NPs环境转化响应的关键策略。研究成果为揭示农田生态系统中纳米材料的生物地球化学过程及环境健康风险评估提供了重要科学依据，并对促进纳米技术在农业领域应用的可持续发展至关重要。