土壤微生物对纳米颗粒的响应和反馈研究

【作者】 冯有智； 何世颖； 曹际玲； 林先贵；

【机构】 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室； 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所；

【摘要】 随着纳米材料的产业化和应用规模的扩大,其生态效应的重视度与日俱增。纳米材料的植物生物效应是研究热点之一。微生物是植物系统的重要组成因素,纳米植物生物效应研究应当考虑到土壤微生物的响应和反馈,特别是共生微生物。基于以上研究现状和存在问题,我们首先研究了典型纳米材料,纳米氧化铁对微生物细胞和群落的影响;进一步研究共生微生物丛枝菌根真菌介入对纳米植物生物效应的影响。我们发现纳米氧化铁能够促进大肠杆菌生长,但是同时也能够进入大肠杆菌细胞内。由于纳米氧化铁表面有多个活性位点(Fe-OH),容易和细胞内的蛋白和DNA双链结合,从而增加了细菌突变的可能(图1A)。纳米氧化铁不仅对单个微生物细胞有影响,对土壤微生物群落的结构和功能也产生了影响。我们通过微域培养实验发现,纳米氧化铁主要增加放线菌等数量而改变了土壤细菌群落结构(图1B),同时也显著提高了土壤转化酶和脲酶活性。该结果表明纳米氧化铁能通过影响微生物而促进土壤C、N循环过程。在揭示了土壤微生物对典型纳米材料响应的基础上,我们将丛枝菌根真菌-植物视为一个整体,全面研究了纳米银和纳米氧化铁的植物生物效应。与目前普遍的认知相反,由于丛枝菌根真菌的"参与",高浓度纳米银对植物并没有毒害作用,而纳米氧化铁却能够抑制作物的生长。进一步的机制研究发现,由于纳米银主要通过释放Ag进入植物体内毒害植物,而丛枝菌根真菌能够协助宿主抵抗重金属,阻止Ag的进入,从而降低了纳米银的毒性;纳米氧化铁表面的活性位点易于和蛋白质结合从而破坏后者的结构和功能,因此纳米氧化铁会通过影响丛枝菌根真菌分泌的球囊霉素而阻碍丛枝菌根真菌功能的发挥,使得宿主植物无法获得足够的养分,最终抑制植物的生长(图1C)。这些研究结果从土壤微生物角度,深度、原位地揭示了纳米生物学效应,弥补了当前该领域认知的不足,提供和开辟了新的研究思路和领域。更多还原