钼纳米粒子对大豆及其根际微生物的生物效应研究

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纳米粒子因其特殊的物理化学性质,广泛用于材料、医学、日用品和农业等领域。在使用过程中,纳米粒子会通过废水和废气等方式进入大气、水体和土壤中,从而影响环境中的生态系统。研究纳米粒子对植物的生物效应是评价其对生态系统安全性的重要手段之一。本文以大豆为模式植物,系统研究了四种钼相关纳米粒子[钼纳米粒子,Molybdenum nanoparticles(Mo NPs);二氧化钼纳米粒子,Molybdenum dioxide nanoparticles(Mo O2 NPs);三氧化钼纳米粒子,Molybdenum trioxide nanoparticles(Mo O3 NPs);二硫化钼纳米粒子,Molybdenum disulfide nanoparticles(Mo S2 NPs)]的植物安全性。本研究将大豆种植在含有钼相关纳米粒子的基质中,通过温室培养,研究四种钼相关纳米粒子分别对大豆生长发育过程的影响;以毒性最显著的纳米粒子为例,深入探究其对大豆生长过程的影响及其作用机理。进一步,通过在基质中加入根际微生物,探究该纳米粒子对大豆根际微生物的影响。本文主要研究结果如下:1.将大豆种植在含有不同浓度的钼相关纳米粒子(Mo NPs、Mo O2 NPs、Mo O3NPs和Mo S2 NPs)基质中。在浓度为1 mg/kg时,与对照组相比,四种纳米粒子均对大豆生长没有显著影响;在浓度为100 mg/kg时,与对照组相比,除Mo S2 NPs外,其它三种纳米粒子均显著降低了大豆的生物量和株高,而Mo NPs对大豆的胁迫作用最严重;当处理浓度为1000 mg/kg时,四种纳米粒子均对大豆生长发育有显著抑制作用,其中Mo NPs处理组大豆几乎停止生长。2.选择对大豆毒性最显著的Mo NPs,深入研究其对大豆生长发育的影响和作用机理。研究发现,在早期营养生长时,1 mg/kg和10 mg/kg浓度的Mo NPs处理对大豆生长发育有一定的促进作用;在整个实验期(30 d)内,浓度为100 mg/kg和1000 mg/kg的Mo NPs处理显著抑制大豆生长发育。通过元素含量测定发现,Mo NPs处理导致大豆体内Mo元素含量显著升高;对大豆组织进行切片和番红固绿染色发现,100 mg/kg浓度的Mo NPs处理导致大豆微观组织结构的改变,叶脉细胞韧皮部出现异常、根部的髓扩大。在100 mg/kg浓度的Mo NPs处理下,大豆根系过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性显著提高;进行大豆组织DNA甲基化研究发现,在不同浓度的Mo NPs处理下,大豆基因组DNA甲基化水平在时间上和浓度上呈现有规律的变化。3.从种植威廉82大豆的田间取根际微生物,加入Mo NPs-大豆种植体系中。经过4周生长发现,浓度为0 mg/kg和1 mg/kg的Mo NPs处理组加入根际微生物后,植株的生长和生物量没有发生显著变化;10 mg/kg和100 mg/kg浓度的Mo NPs处理组加入根际微生物后,植株生物量有显著提高;100 mg/kg浓度的Mo NPs处理下,大豆根际微生物显著缓解Mo NPs对大豆造成的胁迫。因此,威廉82大豆根际微生物能缓解Mo NPs对大豆产生的毒性。4.当MoNPs浓度达到100 mg/kg时对大豆有显著的毒性,选择该浓度处理下的大豆根际微生物进行测序。研究发现,Mo NPs(100 mg/kg)处理会抑制大豆根际微生物群落多样性,显著降低浮霉菌门和衣原体菌门的丰度;降低大豆根际微生物菌属的数量,以及Novosphingobium、Unclassified_Rhizobiales和Unclassified_Sp-hingomonadaceae等菌属的丰度;降低大豆根际微生物群落碳循环相关功能,促进氮循环相关功能。
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