典型纳米材料对我国两种农田土壤氨氧化微生物群落的影响

The increasing applications of nanomaterials in agriculture result in the release of nanoparticles in soil. The soil nitrifying process is driven by ammonia-oxidizing microorganisms. Soil nitrogen transformation would be possibly affected through the impact of nanoparticles on ammonia-oxidizing microorganisms in soil. In the project, the impact of three typical nanomaterials (carbon nano-tube, Fe2O3 and TiO2) on soil （farmland red and tide soil）ammonia-oxidizing microorganisms will be investigated using laboratory microcosm cultivation. The concentrations of ammonium, nitrite and nitrate -N will be measured to assess the effect of nanoparticles on soil nitrifying process. The response of soil ammonia-oxidizing microorganisms' community and functions to nanoparticles will be obtained using pyrosequencing, DNA stable isotope labeling techniques and calorimeter techniques. These results will contribute to better understanding the impact of nanomaterials on nitrogen transformation of crop soil, which would provide scientific basis for its effect on non-point pollution with significantly theoretical and ecological significance.

纳米材料在农业上日趋广泛的应用，使得大量的纳米颗粒进入土壤。土壤硝化过程由氨氧化微生物驱动，纳米材料可能会通过影响氨氧化微生物而影响土壤氮素转化。本项目拟针对我国典型农田红壤和潮土，在实验室微域培养条件下，研究3种典型纳米材料（纳米碳管、氧化铁和二氧化钛）对土壤氨氧化微生物群落的影响。通过测定土样中铵态氮、亚硝态氮和硝态氮的变化，分析土壤硝化过程的动态变化规律，明确纳米材料对土壤硝化过程的影响；以454高通量基因测序、DNA稳定性同位素核酸探针和微量热技术为主的现代土壤微生物分析手段，比较纳米材料处理下土壤氨氧化微生物群落和功能的影响以及土壤中主导氨氧化微生物的响应。该结果为全面评价纳米材料对农田土壤氮素转化的影响，以及面源污染影响提供理论依据，具有重要科学价值和生态环境意义。

随着纳米肥料、土壤改良和修复剂、杀虫剂等纳米材料在农田的大量应用，土壤成为纳米材料汇入环境的重要储库，必然会对土壤微生物及其驱动的土壤物质循环产生影响，目前的研究发现不同纳米材料在不同剂量下土壤生物效应有差异，而对土壤微生物的功能如氮素转化等方面报道较少。本项目研究了应用广泛的典型纳米材料（纳米银和纳米氧化铁）对2种农田土壤（潮土和红壤）生物硝化作用的影响、土壤微生物群落及功能对纳米材料的响应。结果发现：纳米氧化铁能够提高土壤硝化潜势，而纳米银抑制了土壤硝化潜势。纳米氧化银负面影响了潮土中微生物的代谢，与之相反，低浓度纳米氧化铁对土壤微生物代谢无明显影响，而高浓度下一定程度上正面影响微生物的代谢。利用实时定量PCR，发现纳米银降低了土壤中细菌数量的影响，氧化铁则无明显的影响，进而对土壤中氨氧化细菌和古菌进行了分析。结果显示，纳米银显著降低了土壤中氨氧化细菌和古菌的数量，且存在剂量效应；纳米氧化铁略增加了土壤中氨氧化细菌的数量。通过高通量测序发现纳米银添加使土壤中大多数细菌多样性下降，其中氨氧化菌Nitrospira，Planctemycete多样性下降，纳米银对土壤真菌的多样性影响不明显。某些真菌（Agaricales、Ascomycota）多样性下降。。这些效应一方面由于纳米材料自身的尺寸效应和表面效应，具有很强的吸附性和很高的活性，能够很好的分散于土壤并于土壤微生物产生作用；此外纳米材料在环境中能释放的金属离子，对土壤微生物产生正面或负面的影响。这些成果，不仅阐明了土壤氨氧化微生物在外界环境改变下的响应，也加深了纳米材料在土壤中的环境行为和生态效应尤其是氮素转化方面的认知。