应用ZnO NPs对豆科植物固氮效应及土壤微生物群落的影响研究

【摘要】：纳米颗粒在广泛地应用于工业和农业生产的同时,无疑会给生态环境带来一定的风险。植物作为生态系统的基本组成部分,研究ZnO NPs对植物的潜在影响是其环境风险评估的重要方面。本研究采用发芽试验和盆栽试验形式,探究了不同浓度(10、50、100、200、400、800 mg L~(-1))ZnO NPs对食用类及饲料类豆科植物豌豆、绿豆、紫花苜蓿、白三叶草种子萌发、幼苗生长和锌含量的影响,以及不同ZnO NPs处理(ZnO NPs:10、50、250、750 mg kg~(-1);Zn SO_4:50 mg kg~(-1))对紫花苜蓿植株生长、固氮潜力和土壤微生物的影响。主要研究结果如下:(1)与对照处理相比,不同浓度ZnO NPs处理的四种豆科植物的发芽率均无显著性差异,随着ZnO NPs浓度的增加,豌豆和绿豆幼苗的生物量先增加后减少,紫花苜蓿和白三叶草的生物量呈减少趋势。豌豆、绿豆、紫花苜蓿、白三叶草四种豆科植物表现出对ZnO NPs不同的敏感性,其根长的剂量反应阈值分别为200、100、50、50 mg L~(-1),超过浓度阈值,四种豆科植物的根长相比对照显著降低。最大浓度800 mg L~(-1)ZnO NPs处理对豌豆、绿豆、紫花苜蓿、白三叶草根长的抑制率分别达68%、75%、83%、85%,呈现出较高的植物毒性。通过测定四种豆科植物幼苗的丙二醛(MDA)含量,发现高浓度(100～800 mg L~(-1))ZnO NPs处理对豌豆和白三叶草的胁迫作用强于绿豆和紫花苜蓿。豌豆、绿豆、紫花苜蓿、白三叶草幼苗的锌含量随着ZnO NPs浓度的升高而增加,分别从对照的9.17 mg kg~(-1)、12.04 mg kg~(-1)、8.98 mg kg~(-1)、17.84 mg kg~(-1)增长到83.96 mg kg~(-1)、82.69 mg kg~(-1)、212.48 mg kg~(-1)、263.21 mg kg~(-1)。(2)盆栽试验中,S50处理较N50处理更利于紫花苜蓿植株生物量的累积、根长和株高的伸长,高浓度ZnO NPs(250、750 mg kg~(-1))处理均降低了紫花苜蓿的生物量及根长、株高,但抑制作用不显著。与生物量变化保持一致,S50处理显著增加了紫花苜蓿植物叶片的叶绿素含量,而N250和N750处理的植物叶片叶绿素含量较对照显著降低。紫花苜蓿根、茎、叶的锌含量,以及土壤有效锌含量均随着ZnO NPs浓度的升高而增加,N50和S50处理的植物锌含量无显著性差异。两种锌形式处理的根到茎的转移效率均低于茎到叶的转移效率。N750处理显著降低了植株结瘤数量,且其根瘤内存在无效固氮区。ZnO NPs处理会对根瘤细胞壁造成断裂及弯曲的影响,并且减少根瘤细胞内类菌体的数量,进而降低植株的固氮效率。(3)观察纳米颗粒在根瘤组织的分布,N50处理,纳米颗粒在根瘤细胞内分布较多,团聚颗粒尺寸小;N750处理,纳米颗粒在根瘤细胞内分布较少,但团聚体尺寸较大。与纳米颗粒在根瘤中的分布规律类似,在紫花苜蓿的根组织内,N50和N750处理有可见的纳米颗粒,S50处理的根瘤细胞内则未观察到此现象。(4)N750处理显著降低了紫花苜蓿生长的土壤细菌群落的丰度和多样性。N750处理增加了变形菌门的相对丰度,增幅达39%,减少了绿弯菌门的相对丰度,较对照减少57%。N750处理细菌群落样品组成与对照处理差异较大,改变了细菌群落结构组成。土壤细菌群结构变化主要是由土壤有效锌含量(DTPA-Zn)驱动。相同处理下,紫花苜蓿生长的土壤真菌的丰度低于细菌,N50处理显著降低了真菌群落的丰度,N750处理显著增加了土壤真菌的丰度。N50处理降低了优势类群担子菌门的相对丰度,其相对丰度较对照减少61%。N750和S50处理改变了真菌的群落结构组成,土壤理化性质p H、SOM、TN、NH_4~+-N、NO_3~--N和DTPA-Zn不能解释土壤真菌群落结构变化,真菌群落结构变化可能受到其它因素影响。综上,不同种类豆科植物对ZnO NPs的敏感性不同,敏感程度由高到低依次为:白三叶草、紫花苜蓿、绿豆、豌豆。ZnO NPs进入植物组织内的规律与颗粒的聚集密切相关,并通过减少根瘤内类菌体的数量降低紫花苜蓿固氮效率,同时改变土壤微生物群落结构。