纳米银对土壤固氮微生物群落结构、Azotobacter vinelandii毒性及固氮作用的影响

论文摘要

纳米银由于其广谱有效的抗菌性,已成为消费品中最常用的纳米材料之一。纳米银的广泛生产、运输及使用过程导致其不可避免的进入到土壤环境,对微生物造成不良影响。土壤中的生物固氮作用是自然生态系统中重要的氮输入过程,但与此过程相关的固氮菌群如何响应纳米银的刺激目前是未知的,因此了解纳米银暴露下的土壤固氮菌群及土壤生物固氮活性变化尤为重要,不仅能进一步确定固氮微生物群落结构变化,也为纳米银的生态毒性评价提供理论依据。以两种不同粒径纳米银最高剂量对土壤固氮细菌群落结构的影响为研究对象,探究纳米银暴露对土壤固氮细菌的种类、α多样性、固氮细菌的群落组成及丰度以及固氮菌结构的影响。结果显示,纳米银暴露下固氮细菌的种类减少,并且其多样性及丰度降低,群落组成明显发生变化;nAg10的短期暴露(7d)对固氮细菌群落结构的影响最大,nAg10的长期暴露(90d)和nAg50的短期暴露(7 d)对固氮细菌群落结构的影响差别不大,但nAg50长期暴露(90d)下固氮细菌群落结构变化最小;纳米银对土壤固氮细菌的影响与其尺寸、剂量以及暴露时间有关,纳米银在土壤中的长期滞留会影响其毒性作用。以两种不同粒径纳米银对土壤固氮模式菌株Azotobacter vinelandii的毒性作用为目标,探究nAg10和nAg50对Azotobactervinelandii细胞活性、凋亡、细胞形态、固氮酶活性、基因表达、以及氧化应激和A.vinelandii细胞摄取Ag的影响。结果显示,纳米银的暴露抑制A.vinelandii细胞活性,加速A.vinelandii细胞凋亡进程,使死亡率上升;纳米银暴露12 h后,A.vinelandii细胞结构遭到严重破坏,其体内的固氮酶活性明显降低,固氮功能基因nifH表达下调,并检测到细胞内出现活性氧物质(ROS),ESR进一步证明纳米银出现产生·OH,此外,在A.vinelandii细胞膜和细胞质内均检测到Ag元素。纳米银破坏细胞膜、产生氧化应激反应是纳米银发挥毒性效应的主要原因,nAg10的毒性作用强于nAg50。以两种不同粒径纳米银暴露下土壤pH、自生固氮菌数量以及固氮酶活性变化为研究内容,探究纳米银对土壤固氮作用的影响。结果显示,纳米银暴露下,土壤pH几乎没有发生变化,维持在6.54左右:土壤自生固氮菌数量和土壤固氮酶活性在纳米银暴露后均受到不同程度的影响,纳米银短期暴露(7d、28d)对土壤自生固氮菌数量影响较大,长期暴露(60d、90d)的影响较小,纳米银的这种影响表现出剂量效应、尺寸效应;纳米银对土壤固氮作用的影响随暴露时间的延长以及纳米银剂量的增大而逐渐增强,这种影响与纳米银的尺寸关联较小;纳米银的抑制作用与其剂量以及暴露时间相关。

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致谢

摘要

Abstract

文献综述

1 引言

2 材料与方法

2.1 供试材料

2.1.1 纳米银

2.1.2 供试微生物

2.1.3 供试土壤

2.1.4 试验试剂与仪器

2.2 纳米银对土壤固氮微生物的影响

2.2.1 供试土壤的准备及培养

2.2.2 土壤样品前处理

2.2.3 提取土壤DNA

2.2.4 PCR扩增

2.2.5 DNA纯化回收和定量混合

2.3 纳米银对Azotobacter vinelandii的影响试验

2.3.1 Azotobacter vinelandii的培养与收集

2.3.2 Azotobacter vinelandii活性及培养基中银离子释放测定

2.3.3 细胞形态观察

2.3.4 细胞凋亡

2.3.5 固氮酶和功能基因nifH表达的测定

2.3.6 细胞内活性氧的测定

2.3.7 纳米银的分布测定

2.4 纳米银对土壤固氮作用的影响试验

2.4.1 纳米银暴露下土壤理pH的测定

2.4.2 土壤自生固氮细菌数量测定

2.4.3 土壤固氮作用测定

2.5 数据处理

3 结果与分析

3.1 纳米银对土壤固氮微生物群落结构的影响

3.1.1 纳米银暴露下的土壤样品OTU分布

3.1.2 纳米银暴露下土壤固氮细菌α多样性分析

3.1.3 纳米银暴露下固氮菌群优势OTU聚类分析

3.1.4 纳米银暴露下土壤固氮细菌的主要组成及丰度分布

3.1.5 主成分分析

3.2 纳米银对Azotobacter vinelandii的影响

3.2.1 纳米银对A.vinelandii活性的影响及其在培养基中的释放量

3.2.2 纳米银对A.vinelandii细胞形态的影响

3.2.3 纳米银对A.vinelandii凋亡的影响

3.2.4 纳米银对A.vinelandii固氮酶活性及nifH基因表达的影响

3.2.5 纳米银对A.vinelandii的氧化应激作用

3.2.6 纳米银在A.vinelandii的内化作用

3.3 纳米银对土壤固氮作用的影响

3.3.1 纳米银对土壤pH的影响

3.3.2 纳米银对土壤自生固氮菌的影响

3.3.3 纳米银对土壤固氮作用的影响

4 讨论

5 结论

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张丽

导师: 司友斌

关键词: 纳米银,土壤固氮微生物,群落结构,固氮作用

来源: 安徽农业大学

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

单位: 安徽农业大学

基金: 国家自然科学基金项目(No.41430752)

分类号: S154.3

DOI: 10.26919/d.cnki.gannu.2019.000674

总页数: 67

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纳米银对土壤固氮微生物群落结构、Azotobacter vinelandii毒性及固氮作用的影响

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