納米TiO2對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比及硝酸還原酶活性的影響

封保根, 郭 平, 李琳慧, 孫 影, 陳薇薇

(吉林大學 新能源與環(huán)境學院, 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室, 長春 130012)

納米TiO2具有較高的化學穩(wěn)定性、 熱穩(wěn)定性、 光學性質(zhì)以及殺菌和自清潔功能, 在材料、 生物和電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]. 在生產(chǎn)和使用過程中， 納米TiO2可通過各種途徑進入土壤生態(tài)系統(tǒng)中, 從而對土壤生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境和功能產(chǎn)生影響.

目前, 關(guān)于納米TiO2對土壤中反硝化作用的影響尚未明確. 反硝化作用作為土壤氮素循環(huán)中的一個重要過程, 也是導致土壤中氮流失的主要途徑之一, 其在硝態(tài)氮質(zhì)量比和硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)活性方面[11-12]具有重要作用. NR是反硝化作用第一個環(huán)節(jié)所用酶, 在一定條件下限制反硝化作用速率, 硝態(tài)氮作為NR反應(yīng)的底物, 直接影響反硝化作用的強度[13-14]. 本文采用盆栽實驗方法考察納米TiO2添加量、 土壤類型和植物對土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的影響, 為納米TiO2對土壤生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境和功能風險評估提供科學的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of tested soils

供試植物選擇紫花苜蓿中苜一號(購于北京市畜牧研究所). 納米TiO2(d=25 nm)購于廣州門德納米科技有限公司. 聚乙烯花盆規(guī)格為高10 cm、 上口直徑11 cm、 下口直徑7.5 cm.

1.2 實驗設(shè)計

采用盆栽實驗方法, 共設(shè)計14個處理, 每個處理重復3次, 實驗設(shè)計列于表2. 在每個花盆中先加入0.3 kg風干土壤樣品, 再加入納米TiO2并混勻. 常規(guī)施肥量為w(N)=0.2 g/kg,w(P)=0.06 g/kg,w(K)=0.11 g/kg. 氮肥、 磷肥、 鉀肥分別為尿素、 磷酸二氫鉀、 硫酸鉀. 實驗期間保持土壤含水量為田間持水量的60%. 無論是否種植紫花苜蓿, 均在第0,15,30,45,60 d取樣測量土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性. 土壤硝態(tài)氮素質(zhì)量比測定方法同1.1； 采用酚二磺酸比色法測定土壤NR活性[16].

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

由于TiO2對硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性具有降低作用, 因此采用降低程度表示TiO2對硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的影響：

繪圖工具使用Origin 8.0軟件(美國OriginLab公司), 統(tǒng)計分析采用SPSS 21軟件(美國IBM公司)進行.

表2 實驗設(shè)計Table 2 Experimental design

2 結(jié)果與分析

2.1 納米TiO2添加量對黑土中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的影響

圖1 納米TiO2添加量對黑土中硝態(tài)氮質(zhì)量比(A)和NR活性(B)降低程度的影響Fig.1 Effects of nano-TiO2 addition on degree of reduction of mass ratio of nitrate nitrogen (A) and NR activity (B) in black soil

在土壤微生物和酶的作用下, 尿素水解為銨態(tài)氮, 銨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮, 土壤中硝態(tài)氮主要來源于土壤的硝化作用[17]. 納米TiO2對黑土中硝態(tài)氮質(zhì)量比的影響可能與納米材料對土壤微生物和酶的生態(tài)毒性有關(guān)[3-4]. 因此, 納米材料通過抑制土壤脲酶的活性, 抑制土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化, 減少硝化作用的反應(yīng)底物, 從而降低土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比. 此外, 納米材料對土壤中硝化細菌活性具有一定的抑制作用[7,9,18]. 納米TiO2通過抑制土壤的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化速率和硝化作用, 抑制土壤中硝態(tài)氮的產(chǎn)生, 從而降低土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比. 隨著培養(yǎng)時間的增加, 土壤性質(zhì)對納米TiO2生物活性的抑制作用加強， 對土壤微生物的脅迫作用減弱, 因此實驗中土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比降低程度呈先增加后降低的趨勢. 隨著納米TiO2添加量的增加, 納米TiO2對硝態(tài)氮質(zhì)量比的降低程度增加.

硝態(tài)氮作為土壤反硝化作用的底物, 其質(zhì)量比還受NR活性的影響. NR是反硝化作用中的第一個酶, 可能受底物硝態(tài)氮質(zhì)量比降低的影響而降低了NR的酶活性, 也可能受納米TiO2的影響而降低其酶活性. 納米TiO2可以吸附相關(guān)酶, 導致一系列酶學性質(zhì)(如最適pH值、 穩(wěn)定性、 活性及動力學)發(fā)生顯著變化[19]. 大量納米TiO2進入土壤能為NR提供大面積的反應(yīng)位點[20], 從而增強納米TiO2對NR的毒害作用, 降低NR活性. 此外, 大量納米材料進入土壤后會對土壤的理化性質(zhì)(如pH值和離子強度)產(chǎn)生影響[19], 進而影響NR活性. 由于納米TiO2可穿過細胞膜進入細胞內(nèi), 破壞細胞膜并擾亂細胞內(nèi)的生理活性, 因此降低了NR酶活性[21-22]. 隨著培養(yǎng)時間的增加, 土壤性質(zhì)對納米TiO2生物活性的抑制作用加強， 對土壤微生物的脅迫作用減弱, 使納米TiO2對NR活性的降低程度呈先增加后降低的趨勢； 隨著投加量的增加, 納米TiO2對NR的脅迫作用增大, 其對NR活性的降低程度也增加. 土壤中NR受納米TiO2的影響和誘導底物硝態(tài)氮質(zhì)量比的減少而使其活性降低. 在培養(yǎng)初期, 隨培養(yǎng)時間的增加, NR活性抑制效果增加, 在第15天降低程度達到最高. NR活性增強, 促進了硝態(tài)氮的還原, 從而降低了硝態(tài)氮的質(zhì)量比. 硝態(tài)氮質(zhì)量比受納米TiO2對銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化以及硝化作用的抑制和NR活性增加的影響, 在第30天降低程度達到最高. 隨著培養(yǎng)時間的增加, 納米TiO2的降低作用減弱, 其對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的降低程度逐漸降低. 因此, 納米TiO2對NR活性的降低作用大于對硝態(tài)氮質(zhì)量比的降低作用, 進一步說明納米TiO2對土壤反硝化作用具有抑制作用.

2.2 TiO2對不同土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的影響

圖2 1.0 g/kg的納米TiO2對不同土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比(A)和NR活性(B)降低程度的影響Fig.2 Effects of nano-TiO2 (1.0 g/kg) on degree of reduction of mass ratio of nitrate nitrogen (A) and NR activity (B) in different soils

納米TiO2(1.0 g/kg)對3種土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性有不同的抑制效果, 可能是由于土壤理化性質(zhì)對納米TiO2的生物活性具有一定影響所致. 實驗所用的3種土壤在pH值、 有機質(zhì)和CEC等指標上有顯著不同. 土壤中的有機質(zhì)、 表面電荷、 土壤黏性物質(zhì)、 pH值和離子強度等是影響金屬納米顆粒毒性的主要因素. 納米粒子在土壤中會發(fā)生團聚作用, 降低其活性, 較高的有機物質(zhì)量比和離子強度可增強納米TiO2在土壤中的團聚作用[23-24]. 土壤的pH值和有機質(zhì)可改變納米TiO2的電動性質(zhì)與聚集狀態(tài), 從而影響納米TiO2的穩(wěn)定性和遷移性[25], 土壤有機質(zhì)質(zhì)量比與納米材料吸附量成正比[26]. 在實驗中, 沙土中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性受納米TiO2影響的降低程度最大, 可能是由于供試土壤中沙土的pH值和有機質(zhì)質(zhì)量比較低, 進入沙土中的納米TiO2易發(fā)生團聚, 使得遷移性和穩(wěn)定性均比進入黑土和草炭土中的TiO2弱, 導致納米TiO2的生物毒性作用比黑土和草炭土中的強. 由于黑土與草炭土的pH值相近, 草炭土中有機質(zhì)質(zhì)量比較黑土中的高, 因此納米TiO2在草炭土中對硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的降低效果略低于黑土.

土壤的pH值會影響硝化作用和反硝化作用, 中性或弱堿性土壤有利于硝化作用和反硝化作用的持續(xù)進行[27]. 沙土的pH呈酸性, 抑制土壤的硝化作用和反硝化作用, 進而降低土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性. 黑土和草炭土的pH為弱堿性, 對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的降低作用較弱. 土壤酶與有機質(zhì)在納米材料上均有較強的吸附能力, 產(chǎn)生位點競爭[28]. 因此, 有機質(zhì)質(zhì)量比增加可降低納米TiO2的生物活性, 但有機質(zhì)能促進納米材料對土壤中酶的吸附作用, 即促進納米材料在土壤中的擴散, 從而使其表面的吸附位點增加[29].

2.3 紫花苜蓿存在下納米TiO2對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的影響

圖3 紫花苜蓿存在下納米TiO2對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比(A)和NR活性(B)降低程度的影響Fig.3 Effects of nano-TiO2 on degree of reduction of mass ratio of nitrate nitrogen (A) and NR activity (B) in soil in presence of alfalfa

種植紫花苜蓿能降低納米TiO2對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的降低程度, 可能與紫花苜蓿的生物效應(yīng)有關(guān). 納米材料可通過水分子通道或離子通道、 內(nèi)吞作用、 穿透作用及結(jié)合環(huán)境介質(zhì)中的有機物質(zhì)等進入植物根系細胞[30], 從而降低了土壤中納米TiO2的質(zhì)量比及其生物活性. 植物在生長過程中會向土壤分泌根系分泌物, 如碳水化合物、 有機酸和酶等. 植物根系分泌物會對納米材料的生物活性產(chǎn)生一定影響, 降低其毒性效應(yīng)[31]. 因此, 種植紫花苜?？山档图{米TiO2在土壤中的生物毒性.

綜上所述, 本文可得如下結(jié)論: 納米TiO2對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性均具有降低作用, 該作用受納米TiO2添加量、 土壤類型和植物的影響, 降低程度隨時間呈先增加后降低的趨勢； 在相同采樣時間下, 納米TiO2添加量越高, 其對土壤中的硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性降低程度越明顯； 納米TiO2對不同土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性降低程度不同, 降低程度順序為沙土>黑土>草炭土； 紫花苜蓿存在下, 納米TiO2對土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比和NR活性的降低程度減弱, 即種植紫花苜?？山档图{米TiO2在土壤中的生物毒性； 納米TiO2對NR活性的降低程度大于對硝態(tài)氮質(zhì)量比的降低程度.