納米金、銀對(duì)氨氧化細(xì)菌及其氨氧化作用的影響

陳 錚,羅專溪,邱昭政,顏昌宙

(中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021)

納米金、銀對(duì)氨氧化細(xì)菌及其氨氧化作用的影響

陳 錚,羅專溪*,邱昭政,顏昌宙

(中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021)

為明晰納米金、銀對(duì)環(huán)境中氨氧化細(xì)菌(AOB)的氨氧化作用影響機(jī)制,本文通過對(duì)馴化培養(yǎng)河口濕地表層沉積物所得到的氨氧化細(xì)菌(AOB)富集培養(yǎng)物進(jìn)行納米材料不同濃度的處理試驗(yàn),測(cè)定氨氮、亞硝氮濃度和氨氧化速率的變化特征,并利用PCR-DGGE分子指紋圖譜技術(shù)和qPCR方法分析不同試驗(yàn)中AOB的多樣性與豐度信息,確定納米金、銀對(duì)氨氧化速率、氨氧化細(xì)菌多樣性與豐度的影響規(guī)律.結(jié)果表明,納米銀對(duì)環(huán)境中氨氮的轉(zhuǎn)化具有濃度抑制效應(yīng),隨著濃度增加,氨氧化平均速率越低,氨氮轉(zhuǎn)化越少.納米銀處理之間的氨氧化平均速率同氨氧化細(xì)菌(AOB)的香農(nóng)與辛普森多樣性指數(shù)、amoA基因豐度存在顯著正相關(guān)關(guān)系.因而納米銀對(duì)環(huán)境中氨氧化作用的抑制效應(yīng)主要通過其殺菌能力影響了氨氧化菌的多樣性和豐度而起作用.納米金氨氧化平均速率則和AOB的多樣性指數(shù)以及amoA基因豐度均無顯著相關(guān).納米金對(duì)氨氧化細(xì)菌、氨氧化速率卻不呈現(xiàn)濃度抑制效應(yīng),甚至出現(xiàn)略微促進(jìn)氨氧化作用的趨勢(shì).DNA測(cè)序結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的氨氧化細(xì)菌都屬于β-Proteobacteria,同Nitrosospira、Nitrosomonas親源性較近.環(huán)境中的氨氧化微生物種類復(fù)雜,環(huán)境條件多變.不同納米材料是如何影響氨氧化微生物進(jìn)而影響氨氧化作用,仍需進(jìn)行深入研究.

納米材料；氨氧化；群落結(jié)構(gòu)；豐度；氮循環(huán)

納米科技被認(rèn)為是下一次工業(yè)革命,已引起全球范圍內(nèi)的科技、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等發(fā)生革命性變化[1].納米材料具有許多優(yōu)良且奇異的物理或化學(xué)性質(zhì)而在醫(yī)學(xué)診斷、催化、污染控制、個(gè)人護(hù)理用品等產(chǎn)業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景,預(yù)計(jì)到2020年全球納米科技方面的年產(chǎn)值將達(dá)到 1萬億美元,將為社會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益[2].納米材料在生產(chǎn)和使用過程中不可避免會(huì)進(jìn)入環(huán)境,其在環(huán)境中的傳輸最終導(dǎo)致與環(huán)境生物甚至人類接觸,其安全性近年來已經(jīng)受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[3].因此,納米材料的健康與環(huán)境安全是新興的研究熱點(diǎn),也是當(dāng)前國家納米科技可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要科學(xué)問題.

納米金、銀是較為常用的金屬納米材料,廣泛應(yīng)用于化妝品、牙膏、涂料、油漆、衣物、水處理藥劑、催化劑等[4].納米金、銀由此可能大量進(jìn)入環(huán)境并引發(fā)系列污染及潛在風(fēng)險(xiǎn)等生態(tài)問題[5].研究表明,納米二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)和銀(Ag)對(duì)水處理中的硝化作用存在較大影響[6-9].另外,納米金(Au)可累積于生物細(xì)胞并引發(fā)毒性效應(yīng)[10-11].因此可預(yù)見納米金、銀將對(duì)自然界中的氮循環(huán)產(chǎn)生較大影響.氮循環(huán)是環(huán)境自然系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分.氨氧化過程被認(rèn)為是氮循環(huán)中的限速步驟[12].納米金、銀一旦進(jìn)入環(huán)境后,可能極大地影響環(huán)境中的氨氧化能力,進(jìn)而影響作物養(yǎng)分吸收、水環(huán)境富營養(yǎng)化以及溫室氣體排放等問題.先前研究主要集中于納米材料對(duì)水處理硝化作用的影響,但涉及影響自然界中氨氧化作用及其機(jī)制的研究還鮮有報(bào)道.鑒于自然界中氮循環(huán)的重要作用,很有必要開展金屬納米物質(zhì)對(duì)環(huán)境中氨氧化過程的影響及其作用機(jī)理研究.

氨氧化細(xì)菌(Ammonia-oxidizing bacteria, AOB)是氨氧化過程的主要驅(qū)動(dòng)者之一[13].本文選用納米金、銀作為納米材料,對(duì)馴化培養(yǎng)河口濕地表層沉積物所得到的自然環(huán)境 AOB富集培養(yǎng)物進(jìn)行納米材料不同濃度的處理,通過測(cè)定氨氮、亞硝氮濃度和氨氧化速率的變化特征,利用PCR-DGGE分子指紋圖譜技術(shù)和qPCR方法分析試驗(yàn)中 AOB的多樣性與豐度等信息,確定納米金、銀對(duì)氨氧化速率、氨氧化細(xì)菌多樣性與豐度的影響規(guī)律,明晰納米金、銀對(duì)環(huán)境中氨氧化細(xì)菌(AOB)的氨氧化作用影響的機(jī)制,以期為納米材料對(duì)氨氧化微生物在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究中提供借鑒和依據(jù),為深入了解納米材料對(duì)其它水環(huán)境污染行為的影響規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考.

1 材料與方法

1.1 納米金、銀的制備

納米金∶將玻璃儀器用王水浸泡 24h,二次蒸餾后洗滌并吹干.將1mL 1%HAuCl4溶液加入到100mL超純水中,加熱至沸.劇烈攪拌下快速加入2.5mL 1%的檸檬酸三鈉溶液.在沸騰情況下攪拌10min,直至溶液變成酒紅色即可.移去熱源后再攪拌 10min,所得溶液置于棕色容量瓶保存.用ICP-MS測(cè)定制得的納米金儲(chǔ)備溶膠(濃度為56.02mg/L).4℃下避光保存.

納米銀∶硝酸銀還原,用 NaBH4作還原劑,聚乙烯醇 PVA作分散劑/穩(wěn)定劑.溶解 PVA∶稱取0.3g,先溶于水(加熱至 100℃),定容至 500mL.取20mL的PVA溶液,加入119mg/L AgNO3溶液,攪拌,使溶液分散均勻.在室溫條件下快速加入200μL濃度為14mmol/L的KBH4溶液,攪拌5min至棕黃色即可,所得溶液置于棕色容量瓶中保存.用ICP-MS測(cè)定制得的納米銀儲(chǔ)備溶膠(濃度為37.08mg/L).4℃下避光保存.

圖1 納米銀和納米金在TEM的表征結(jié)果Fig.1 Characterization of nano-silver and nano-gold under transmission electron microscopy

試驗(yàn)設(shè)置環(huán)境中納米材料的可能濃度,即低濃度為50μg/L,高濃度為2mg/L[14].按照一定的比例稀釋已制備好的納米金、銀儲(chǔ)備溶膠,使得到最終培養(yǎng)體系內(nèi)濃度分別為2mg/L和50μg/L的納米金、銀溶膠以備用,并用TEM表征最后的溶膠(圖1).通過TEM觀察顯示制備的納米顆粒溶膠分散程度良好,粒徑都在 10～20nm之間,形態(tài)均為球形.

1.2 氨氧化細(xì)菌富集培養(yǎng)

表層沉積物樣品(0～1cm)于2011年3月份采自福建九龍江口濕地(主要為秋茄林,Kandelia candel)保護(hù)區(qū)(N24°26′43.5″, E117°54′28.4″).沉積物取3個(gè)平行,分裝于聚乙烯自封袋中,在冰盒中保存并快速轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室-20℃保存待培養(yǎng).

實(shí)驗(yàn)配置氨氧化細(xì)菌所需的培養(yǎng)基由超純水1L、(NH4)2SO41.0g、CaCO3 5.0g、K2HPO4?3H2O 0.75g、NaCl 0.30g、MgSO4?7H2O 0.03g、FeSO4?7H2O 0.03g組成[15].將配制好的培養(yǎng)基及所需器皿等放入高壓蒸汽滅菌鍋(120℃,30min)滅菌,調(diào)節(jié)pH值至7.5左右.

無菌條件下,將新鮮培養(yǎng)基分裝于滅菌的250mL三角瓶中,每瓶100mL.分別稱取0.1g解凍的沉積物轉(zhuǎn)移至三角瓶中,搖勻使得沉積物分散并懸浮于培養(yǎng)基中.將三角瓶置于恒溫培養(yǎng)箱26℃避光培養(yǎng),富集培養(yǎng)期間每隔 2d將三角瓶手動(dòng)搖晃1min左右,使得下部沉淀重新懸浮于培養(yǎng)基中.經(jīng)過6次轉(zhuǎn)接約140d培養(yǎng),最終得到氨氧化菌富集培養(yǎng)物.將此培養(yǎng)物以 1∶9的比例接入新鮮的氨氧化菌富集培養(yǎng)基,經(jīng)2次擴(kuò)培得到氨氧化菌富集培養(yǎng)物.

1.3 試驗(yàn)設(shè)置與樣品分析

實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)均設(shè)置在150mL的錐形瓶里.設(shè)置納米金、銀不同濃度以及對(duì)照組,每一實(shí)驗(yàn)組重復(fù) 3次.每一次實(shí)驗(yàn)組接種 5mL培養(yǎng)基,添加30mL新鮮培養(yǎng)基,然后加入5mL對(duì)應(yīng)濃度的納米材料,并加入1mL飽和KClO3溶液以抑制亞硝酸鹽氧化.其中對(duì)照組以5mL超純水代替加入的納米材料.將所有樣品放置恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)暗箱培養(yǎng)45d,溫度28℃.試驗(yàn)過程中進(jìn)行5次采樣,即在培養(yǎng)第 3,10,17,31,45d完成采樣.每次取樣經(jīng)0.22μm膜過濾收集培養(yǎng)基中顆粒物和濾液并迅速于-20℃下保存待試驗(yàn).濾液用流動(dòng)注射分析儀(LACHAT-QC8500)測(cè)定培養(yǎng)體系內(nèi)的氨氮(NH4+-N)和亞硝氮(NO2―-N)濃度.采用氨氧化細(xì)菌氨單加氧酶特異性配對(duì)引物(amoA-1F, amoA-2R-TC),利用 PCR-DGGE分子指紋圖譜技術(shù)和qPCR方法分析顆粒物樣品中的氨氧化細(xì)菌多樣性與豐度信息[16].

對(duì)DGGE凝膠進(jìn)行DNA條帶的切割.切下DNA條帶分別放入50μL TE緩沖液中,搗碎并過夜保存,上清液作為PCR模板進(jìn)行擴(kuò)增.用膠純化試劑盒純化PCR產(chǎn)物,將此產(chǎn)物與pGEM-T Easy載體連接,并轉(zhuǎn)化于大腸桿菌 DH5α感受態(tài)細(xì)胞,菌落PCR除去假陽性.每個(gè)條帶構(gòu)建的克隆文庫中挑取3個(gè)陽性克隆子送上海英駿生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測(cè)序.所測(cè)得序列用 DNAssist 2.2去除載體序列和GC夾子后,將有效序列在NCBI上進(jìn)行比對(duì),以其中同源性最高的序列確定為參照菌株,相似性 97%的序列視為同一序列型(Sequence type),并用 MEGA5軟件采用鄰接法(Neighborjoining method)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹.

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用香農(nóng)多樣性指數(shù)(H)[17],辛普森指數(shù)(D)[18]和均勻度(E)[19]等指標(biāo)對(duì)比各樣品的細(xì)菌多樣性,計(jì)算公式如下∶

煤炭在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一直占有非常重要的地位，在一次能源結(jié)構(gòu)中的比列達(dá)到70%左右。從國內(nèi)來看，未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變。加強(qiáng)煤炭建設(shè)項(xiàng)目的投資控制，可以確保資金得到有效運(yùn)用，達(dá)到最佳的投資效益。

其中,Pi是某個(gè)樣品中單一條帶的強(qiáng)度在該樣品的所有條帶總強(qiáng)度所占的比例,S是某個(gè)樣品中所有條帶總數(shù)目.

結(jié)果用算術(shù)平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(T±S.D.).差異性分析采用T檢驗(yàn)進(jìn)行.氨氧化平均速率與生物多樣性指數(shù)、amoA基因豐度的相關(guān)性采用Bivariate方法進(jìn)行,結(jié)果用Pearson相關(guān)系數(shù)表示.

2 結(jié)果

2.1 氨氮與亞硝態(tài)氮

在實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)體系中,納米金、銀不同濃度下(50μg/L、2mg/L)的氨氮濃度均隨培養(yǎng)時(shí)間的增長呈降低趨勢(shì),其中在前 17d氨氮濃度急劇降低,而31d后氨氮濃度下降趨于平緩(圖2).從圖2可知,對(duì)照組(Control)與納米金(C、D)組的氨氮濃度變化趨勢(shì)較為接近,且在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谌唧w系內(nèi)的氨氮濃度基本轉(zhuǎn)化完全,表明納米金對(duì)氨氧化作用影響不大,且并無呈現(xiàn)濃度抑制效應(yīng).與此不同的是,納米銀(A、B)組的氨氮濃度在培養(yǎng)過程中都要高于對(duì)照組和納米金組(A、B),在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诎钡獫舛绒D(zhuǎn)化不完全,所剩濃度還較高(圖 2).其中,納米銀較高濃度(2mg/L)的 B組的氨氮濃度要高于納米銀較低濃度(50μg/L)的B組,說明納米銀對(duì)氨氧化作用呈現(xiàn)濃度抑制效應(yīng),其濃度升高,氨氮越不易轉(zhuǎn)化,氨氧化作用越弱.

圖2 納米金、銀不同濃度條件下氨氮濃度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of ammonium nitrogen under the different concentrations of nano-gold and nano-silver

納米金(C、D)和對(duì)照組處理中的亞硝氮濃度均隨時(shí)間變化而呈增加趨勢(shì),亞硝氮濃度無顯著差異,表明納米金對(duì)氨氧化作用影響較小.相反,納米銀(A、B)處理中的亞硝氮濃度都要顯著低于對(duì)照組.納米銀A和B處理在前17d內(nèi)亞硝態(tài)氮濃度均逐漸上升,并在第17d積累到最大值(分別是9.4mg/L和12.1mg/L),但第17d后發(fā)現(xiàn)亞硝態(tài)氮濃度開始逐漸降低;到45d之后,A和B處理中的亞硝態(tài)氮濃度分別僅有1.3mg/L和7.9mg/L.這些說明納米銀對(duì)氨氧化作用具有抑制效應(yīng).另外,低濃度的納米銀 A處理(50μg/L)的亞硝氮濃度要顯著低于高濃度的納米銀B處理(2mg/L).納米銀處理中氨氮濃度的變化規(guī)律已印證納米銀對(duì)氨氧化作用的抑制呈現(xiàn)濃度效應(yīng),即低濃度納米銀處理中的亞硝氮濃度應(yīng)高于高濃度的納米銀處理.因而,低濃度納米銀處理中可能有部分亞硝氮經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮,這可能是處理體系中KClO3中的Cl－釋放出來,和單質(zhì)銀形成的Ag+結(jié)合,使KClO3的硝化抑制作用減弱導(dǎo)致的.

圖3 納米金、銀不同濃度條件下亞硝氮濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of nitrite nitrogen under the different concentrations of nano-gold and nano-silver

2.2 氨氧化平均速率

表1 納米金和銀不同濃度處理的氨氧化平均速率(n=3)Table 1 Average ammoxidation rates under the treatments of nano-gold and nano-silver (n=3)

氨氧化平均速率是納米材料不同處理對(duì)氨氧化作用影響的綜合體現(xiàn).納米金3種不同濃度處理的氨氧化平均速率無顯著差異(表1),表明隨著納米金濃度的增加,對(duì)環(huán)境中氨氧化作用抑制不明顯.不同的是,納米銀3種不同濃度處理的氨氧化平均速率隨著濃度增加而呈遞減趨勢(shì),高濃度的納米銀處理比低濃度的納米銀處理的氨氧化平均速率要低(表1),再次印證了納米銀對(duì)環(huán)境中氨氧化作用呈現(xiàn)濃度抑制效應(yīng).

2.3 氨氧化細(xì)菌的多樣性與豐度

表2 不同濃度納米金和銀處理的氨氧化細(xì)菌多樣性(P<0.05, n=3)Table 2 Biodiversities of ammonia-oxidizing bacteria under the treatments of nano-gold and nano-silver with different concentrations(P<0.05, n=3)

納米金、銀對(duì)AOB香農(nóng)指數(shù)的影響呈現(xiàn)顯著差異,而對(duì)辛普森、均勻度指數(shù)并無顯著差異(表2).納米銀處理之間的AOB香農(nóng)多樣性指數(shù)隨其濃度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì),其它指數(shù)亦有下降規(guī)律(表2).由此說明,納米銀對(duì)AOB多樣性具有濃度抑制效應(yīng).納米金處理之間的 AOB多樣性指數(shù)并無隨著濃度的增加而呈下降趨勢(shì),其中對(duì)照組還略低與其它濃度處理的多樣性指數(shù),可見納米金對(duì) AOB多樣性無抑制效應(yīng),甚至還略微呈現(xiàn)促進(jìn)作用(表2).

圖 4是不同濃度納米金和銀處理的 AOB amoA基因拷貝數(shù)(豐度).其中,納米銀處理之間的AOB amoA豐度具有顯著差異性,呈現(xiàn)隨濃度的增加而下降的趨勢(shì),表明納米銀對(duì)AOB amoA豐度的濃度抑制效應(yīng).相反,納米金處理之間的AOB amoA豐度并無顯著差異性,表明納米金對(duì)AOB amoA豐度無顯著抑制作用.

2.4 相關(guān)性分析

氨氧化平均速率與氨氧化細(xì)菌多樣性指數(shù)和amoA基因豐度間的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果如表3所示.從表3可知,納米銀處理和AOB的多樣性指數(shù)(香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù))以及amoA基因豐度存在顯著相關(guān)關(guān)系;而納米金氨氧化平均速率則和AOB的多樣性指數(shù)以及amoA基因豐度均無顯著相關(guān).

圖4 不同濃度納米金和銀處理的氨氧化細(xì)菌的amoA基因拷貝數(shù)Fig.4 The amoA gene copies of AOB under the treatments of nano-gold and nano-silver with different concentrations

表3 氨氧化平均速率與氨氧化細(xì)菌多樣性指數(shù)和豐度間的相關(guān)性Table 3 The correlation between average ammoxidation rate and diversities and abundance of ammonia-oxidizing bacteria

2.5 序列結(jié)果

利用MEGA3.1構(gòu)建切膠測(cè)序序列的系統(tǒng)發(fā)育樹,如圖 5所示.所有的測(cè)序條帶都屬于β-Proteobacteria,其中 Band1、Band2、Band3、Band6、Band7與亞硝化螺菌(Nitrosospira)親源性較近,Band9和 Band10與亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)親源性較近.本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的大多數(shù)序列的相似性較高的序列存在于中國的珠江口、膠州灣等地區(qū),美國、日本河口、海灣地域,以及污泥、土壤等環(huán)境,具有一定環(huán)境代表性.

圖5 由DGGE測(cè)序結(jié)果建立的16S rRNA基因的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.5 Phylogenic tree for 16S rRNA established with sequences from excised DGGE bands

3 討論

納米材料由于具有粒徑小、比表面積大、殺菌能力強(qiáng)、催化性能高等許多優(yōu)良的物理或化學(xué)性質(zhì),進(jìn)入環(huán)境后可能影響環(huán)境中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化.本研究結(jié)果表明納米銀對(duì)環(huán)境中氨氮的轉(zhuǎn)化具有濃度抑制效應(yīng),隨著濃度增加,氨氧化平均速率越低,氨氮轉(zhuǎn)化越少.納米銀處理之間的AOB香農(nóng)多樣性指數(shù)隨其濃度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì),其它指數(shù)亦有下降規(guī)律,且amoA 基因豐度也呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),表明納米銀試驗(yàn)處理對(duì)環(huán)境中的 AOB多樣性和豐度具有濃度抑制效應(yīng).而且納米銀處理之間的氨氧化平均速率同氨氧化細(xì)菌(AOB)的香農(nóng)與辛普森多樣性指數(shù)、amoA基因豐度呈顯著正相關(guān)關(guān)系.因而納米銀對(duì)環(huán)境中氨氧化作用的抑制效應(yīng)主要通過其殺菌能力影響氨氧化菌的多樣性和豐度而起作用.這同先前的研究是一致的.Choi等[20]發(fā)現(xiàn),納米銀粒子對(duì)污水處理中 AOB 呈現(xiàn)出毒性作用,抑制了污水處理能力.Sondi等[21]研究發(fā)現(xiàn),納米銀對(duì)瓊脂培養(yǎng)基和液態(tài) LB (Luria-Bertani)培養(yǎng)基中的大腸桿菌具有抑制作用,致使大腸桿菌增長延遲.還有納米二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)和銀(Ag)也對(duì)水處理中硝化微生物具有抑制作用而較大地影響其中的硝化效率[6-9].測(cè)試溶液中銀離子濃度采用高速離心分離、ICP-MS測(cè)定[22]表明測(cè)試溶液中的銀離子濃度低于 3%,不足以影響實(shí)驗(yàn)體系中氨氧化微生物的作用和生長[23].因此,納米銀對(duì)氨氧化細(xì)菌及其氨氧化作用的抑制是由于納米顆粒本身而非納米銀的溶解造成的[24].

然而,也有一些納米材料的毒性尚無明確結(jié)論.Sereemaspun等[25]研究發(fā)現(xiàn),納米金可以通過細(xì)胞吞噬作用進(jìn)入腎細(xì)胞引發(fā)毒性.但也有研究報(bào)道納米金對(duì)大腸桿菌無顯著毒性作用等[26]. Tan等[27]在研究Au-Au2S納米粒子對(duì)人體胸腺腫瘤的細(xì)胞毒性試驗(yàn)中亦沒發(fā)現(xiàn)其顯著毒性.可見,納米金對(duì)環(huán)境污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響尚無明確的規(guī)律,在不同環(huán)境條件下可能表現(xiàn)出促進(jìn)或抑制環(huán)境污染物的遷移、轉(zhuǎn)化.本研究中的納米金處理對(duì)對(duì)氨氧化細(xì)菌、氨氧化速率沒有呈現(xiàn)濃度抑制效應(yīng),甚至出現(xiàn)略微促進(jìn)氨氧化作用的現(xiàn)象.目前納米金的研究工作大多集中在動(dòng)物細(xì)胞的毒理安全影響和生物藥劑的標(biāo)記檢測(cè)等[28],對(duì)微生物的影響及其污染物遷移轉(zhuǎn)化的報(bào)道甚少,還需要進(jìn)行更為深入的研究.

先前許多針對(duì)納米材料的環(huán)境行為、生態(tài)毒性以及健康影響等熱點(diǎn)科學(xué)問題進(jìn)行了較多的研究.但這些研究主要集中在生物的生理效應(yīng)和毒性機(jī)制,很少涉及到納米材料對(duì)其他污染物的影響研究,對(duì)其中的影響機(jī)制不甚明了[28-29].納米金、銀是較為常用的金屬納米材料,應(yīng)用廣泛,由此可能帶來潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題.氨氧化過程被認(rèn)為是物質(zhì)循環(huán)重要組成部分的氮循環(huán)中的限速步驟[12].本研究觀察了納米金、銀對(duì)氨氧化細(xì)菌、氨氧化速率的影響,發(fā)現(xiàn)納米銀對(duì)氨氧化作用具有濃度抑制效應(yīng),而納米金則無呈現(xiàn)濃度抑制效應(yīng),甚至出現(xiàn)略微促進(jìn)氨氧化作用的現(xiàn)象,進(jìn)一步明晰了納米銀抑制氨氧化細(xì)菌多樣性和amoA基因豐度而影響其氨氧化作用,可促進(jìn)納米材料對(duì)環(huán)境中其它污染物轉(zhuǎn)化的研究.本研究測(cè)序結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)的氨氧化細(xì)菌都屬于β-Proteobacteria,同 Nitrosospira、Nitrosomonas親源性較近,具有環(huán)境氨氧化細(xì)菌一定的代表性.環(huán)境中的氨氧化微生物種類復(fù)雜,環(huán)境條件多樣,不同納米材料是如何影響氨氧化微生物進(jìn)而影響氨氧化作用,仍需進(jìn)行深入的研究.

4 結(jié)語

納米銀對(duì)環(huán)境中氨氮的轉(zhuǎn)化具有濃度抑制效應(yīng).納米銀對(duì)環(huán)境中的AOB多樣性和豐度具有濃度抑制效應(yīng).納米銀對(duì)環(huán)境中氨氧化作用的抑制效應(yīng)主要通過其殺菌能力影響了氨氧化菌的多樣性和豐度而起作用.納米金氨氧化平均速率和AOB的多樣性指數(shù)以及amoA基因豐度均無顯著相關(guān).納米金對(duì)環(huán)境污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響尚無明確的規(guī)律,在不同環(huán)境條件下可能表現(xiàn)出促進(jìn)或抑制環(huán)境污染物的遷移、轉(zhuǎn)化.實(shí)驗(yàn)的氨氧化細(xì)菌都屬于β-Proteobacteria,同Nitrosospira、Nitrosomonas親源性較近,具有環(huán)境氨氧化細(xì)菌相當(dāng)?shù)拇硇?所得到關(guān)于納米金和銀對(duì)氨氧化作用的影響結(jié)論具有普遍性.環(huán)境中的氨氧化微生物種類復(fù)雜,環(huán)境條件多變.不同納米材料是如何影響氨氧化微生物進(jìn)而影響氨氧化作用,仍需進(jìn)行深入的研究.

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Effects of silver and gold nanoparticles on ammonia-oxidizing bacteria and its ammoxidation.

CHEN Zheng, LUO Zhuan-xi*, QIU Zhao-zheng, YAN Chang-zhou
(Key Laboratory of Urban Environmental and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China).China Environmental Science, 2014,34(3)：705～712

In order to understand the effects of silver and gold nanoparticles (nano-silver and nano-gold) on ammoxidation in the environment and its mechanisms involved, the AOB (ammonia-oxidizing bacteria) enrichment cultures, from surface sediments in Jiulong River estuary wetland in Fujian Province, China, were inoculated in media with different concentrations of nano-silver and nano-gold.Then the changes of ammonium nitrogen and nitrite nitrogen concentrations, and the ammoxidation rate were measured, and the AOB biodiversity and abundance were analyzed using the methods of molecular fingerprint technology of PCR-DGGE and qPCR.Results showed that nano-silver significantly inhibited ammoxidation in the environment, of which the average ammoxidation rate and the transformation of ammonium nitrogen decreased with increasing nano-silver concentration.Interestingly, the average ammoxidation rate was significantly correlated to AOB diversity indices (Shannon index and Simpson index) and AOB abundance.Obviously, the ammoxidation inhibition resulted primarily from the reduction of AOB biodiversity and abundance, which caused by the bactericidal ability of nano-silver.However, there was insignificant correlation between the AOB biodiversity and the abundance and ammoxidation average rate under the nano-gold treatment.And there was not inhibition upon AOB and ammoxidation average rate, yet a slight promotion of ammoxidation with nano-gold.The DNA sequencing found that the AOB tested in this study was belonged to β-Proteobacteria, closing to Nitrosospira or Nitrosomonas.Undoubtedly, the species of AOB in the environment is complicated, and the ambient conditions are various as well.Therefore, more attention is still needed to be paid to how and to what extent different nanomaterials impact AOB diversity and abundance and in turn ammoxidation.

nanomaterials；ammoxidation；community structure；abundance；nitrogen cycling

X799

：A

：1000-6923(2014)03-0705-08

陳 錚(1987-),男,福建福州人,中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所與安徽理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生,主要從事水環(huán)境污染控制研究.發(fā)表論文4篇.

2013-06-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001327);福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013J01166)

* 責(zé)任作者, 副研究員, zxluo@iue.ac.cn