三种金属氧化物纳米材料对水稻幼苗生长及根际微生物群落结构的影响

论文摘要

随着纳米材料广泛应用于人们的生产生活,越来越多的纳米材料已经扩散到环境中,并对环境中的生物产生影响。为了揭示金属氧化物纳米材料在环境中的生态效应,本研究采用水培的方式探讨了不同浓度的三种金属氧化物纳米材料（nSiO2、nTiO2和nZnO）分别对水稻种子萌发的影响,并检测了nSiO2分别与nTiO2和nZnO混合处理时,nSiO2对另外两种纳米材料的减毒效果,以及简单探讨了nTiO2和nZnO的毒性作用机制;然后采用土壤盆栽实验研究了三种浓度的上述纳米材料对水稻幼苗生长、主要营养元素的吸收、土壤肥力及根际微生物群落结构的影响,同时进一步研究nZnO处理后,Zn在水稻根和叶亚细胞组分中的分布以及土壤中的化学形态占比,以期为金属氧化物纳米材料的环境生态效应研究以及其毒性作用机制提供理论依据。主要研究结果如下:1.三种金属氧化物纳米材料对水稻种子萌发不同程度的影响:随着营养液中nTiO2和nZnO浓度的增加,水稻根长和芽长降低,抑制作用增大,最大抑制;在处理浓度为1000mg/L时,nSiO2对水稻种子根生长的抑制作用并不显著,同时四种浓度的nSiO2处理都没有显著影响水稻种子芽生长。不同浓度的三种金属氧化物纳米材料中1000 mg/L nZnO对水稻种子根和芽生长抑制作用增强,抑制率分别为22.97%和27.62%。2.nSiO2分别与nTiO2、nZnO同时处理对水稻根和芽生长的影响:nSiO2与nTiO2联合处理对水稻根和芽生长的抑制作用要显著小于nTiO2单独处理,其根长和芽长分别是2000mg/L、1000 mg/L nTiO2单独处理的1.31、1.20倍和1.21、1.16倍,也小于nSiO2单独处理;nSiO2与nZnO联合处理对水稻根和芽生长的抑制作用要显著小于nZnO单独处理,其根长和芽长分别是2000 mg/L、1000 mg/L nZnO单独处理的1.15、1.15和1.13、1.20倍,但显著大于1000 mg/L nSiO2单独处理。3.团聚效应对nTiO2和nZnO毒性的影响:团聚后的nTiO2处理对水稻根生长的抑制作用显著小于分散处理,也降低了对芽生长的抑制作用;团聚处理后nZnO的毒性变化不显著。4.不同浓度nZnO中的Zn2+浓度测定:随着分散液中nZnO浓度增加,其溶出的Zn2+浓度逐渐降低;静置7 d后,相应浓度nZnO溶出的Zn2+量显著增加。5.土壤中添加金属氧化物纳米材料对水稻幼苗生理生化指标的影响:0.5 mg/g nZnO处理后的水稻幼苗鲜重、干重和株高分别增加24.95%、12.42%和9.71%,1、2 mg/g nZnO处理后的水稻鲜重、干重和株高降低,2 mg/g nSiO2处理后的水稻干重和株高降低15.56%和7.12%（P<0.05）。0.5、2 mg/g nSiO2处理后的水稻N含量显著降低,三种浓度nZnO处理后的水稻P含量增加12.75%-20.59%（P<0.05）,水稻K含量降低13.08%-17.08%（P<0.05）。与对照相比,土壤中添加nSiO2和nTiO2处理水稻幼苗SOD活性增加2.41%-17.44%,0.5mg/g和1 mg/g的nZnO处理的水稻幼苗SOD活性降低22.76%和13.99%（P<0.05）,而高浓度（2 mg/g）的nZnO处理SOD活性增加10.33%（P<0.05）。nSiO2和nZnO处理的水稻幼苗的POD活性增加14.40%-36.70%（P<0.05）,除0.5 mg/g nTiO2处理的水稻幼苗POD活性最高且与对照差异显著外（P<0.05）,其余nTiO2处理与对照差异不显著。三种不同浓度的纳米材料处理均显著增加水稻幼苗CAT活性,并且nZnO处理较nSiO2和nTiO2处理对水稻幼苗CAT活性的促进作用更明显。6.土壤中添加金属氧化物纳米材料对土壤肥力的影响:经三种浓度nSiO2和nTiO2处理后土壤pH和有机质含量都降低,1、2 mg/g nSiO2处理后土壤有效氮和有效磷含量显著增加,三种浓度的nZnO处理后土壤速效磷和速效钾含量分别降低3.57%-7.36%和3.12%-13.82%。所有纳米材料处理后土壤酸性磷酸酶和土壤过氧化氢酶活性分别被显著抑制（抑制率为7.37%-17.49）和显著促进（促进率为4.81%-16.00%）,同时,不同浓度的nZnO处理土壤蔗糖酶和脲酶活性都被显著抑制,而不同浓度nTiO2处理土壤蔗糖酶活性都有不同程度的增强。7.土壤中添加金属氧化物纳米材料对土壤微生物群落结构的影响:三种纳米材料处理都会引起土壤群落结构的改变;纳米材料的添加都有显著降低土壤微生物数量和微生物物种数（0.5 mg/L nSiO2处理除外）。10个处理中的微生物主要分属于以下11个门:变形杆菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、TM7（未定菌）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、蓝藻门（Cyanobacteria）,但不同处理的微生物在各个门中的占比不同。nSiO2和nTiO2处理对土壤微生物丰富度影响不显著,但对土壤微生物群落构成影响较大,尤其是高浓度的nSiO2和低浓度的nTiO2处理;nZnO处理都有降低土壤微生物丰富度,且低、高浓度的nZnO处理后土壤微生物Alpha多样性也降低;同时,中、高浓度的nZnO处理也对土壤的微生物群落构成产生显著影响。8.不同浓度nZnO处理后土壤与水稻中的锌含量分布:随着土壤中nZnO浓度增加水稻叶子中的Zn含量也逐渐增加,水稻根中的锌含量要高于叶中的锌含量;Zn主要分布在水稻根和叶的细胞壁和细胞液中,在细胞器中的锌含量相对较少。添加到土壤中的nZnO主要以Fe-Mn氧化物态形式存在,随着土壤中nZnO浓度增加土壤中全锌和速效锌的含量也显著增多,土壤中的生物可利用锌（有效态锌和碳酸盐交换态锌）的占比也逐渐增加,但残渣态锌占比减少。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 尹勇

导师: 刘灵

关键词: 金属氧化物纳米材料,水稻,生理生化,土壤肥力,微生物群落结构

来源: 广西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农艺学,农作物

单位: 广西师范大学

分类号: S511;S154.3

总页数: 65

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