納米TiO2對(duì)耕作紅壤土壤微生物活性的影響

劉啟明，吳澤恩，朱藝貞，曹英蘭，焦玉佩,，曹馨

1. 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2. 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021

納米TiO2對(duì)耕作紅壤土壤微生物活性的影響

劉啟明1，吳澤恩1，朱藝貞1，曹英蘭1，焦玉佩1,2，曹馨1

1. 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2. 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021

作為最為常用的納米材料，納米TiO2潛在的生態(tài)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)已日漸引起重視。土壤微生物活性是土壤微生物群落生長(zhǎng)狀況的整體表現(xiàn)，是反映土壤污染、表征土壤質(zhì)量、衡量土壤生態(tài)系統(tǒng)管理措施和擾動(dòng)變化的敏感指標(biāo)。本研究將納米TiO2均勻混合于耕作土壤，以土壤—納米TiO2—微生物體系為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)耕作紅壤的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，綜合土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)，較為真實(shí)的反映了納米TiO2對(duì)土壤微生物活性的影響。數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)90 d的試驗(yàn)周期內(nèi)，空白對(duì)照土樣土壤微生物菌落數(shù)變化范圍是3.59～3.92 CPU（107·g-1）、土壤呼吸強(qiáng)度變化范圍是0.49～0.61（mg·g-1）、土壤蛋白酶活性變化范圍是0.068～0.081（mg·g-1）。耕作紅壤摻雜不同劑量（0.1、0.2、0.5、1、3 mg·g-1）納米TiO2后，土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)均低于空白對(duì)照土樣，說(shuō)明土壤微生物活性受納米TiO2抑制，且納米TiO2劑量越大，抑制作用越明顯。研究結(jié)果對(duì)綜合評(píng)判人工納米材料的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)可提供數(shù)據(jù)支撐。

納米TiO2；紅壤；微生物活性

納米材料是指在三維空間中至少有一維幾何尺寸在納米尺度（1～100 nm）的材料, 因其具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、大比表面、極高的反應(yīng)活性、量子效應(yīng)等，納米材料已在生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。自2003年以來(lái)，關(guān)于納米材料的潛在生物毒性、是否會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響以及影響的程度如何等問(wèn)題已日漸引起重視（Service, 2003；Maynard，2006；Nel等，2006）。目前較多的工作集中在納米材料對(duì)單一生物或體內(nèi)細(xì)胞的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究方面，對(duì)于綜合性的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)如微生物群落結(jié)構(gòu)及功能方面的野外實(shí)踐研究相對(duì)較少（林道輝等，2009；Sharifi等, 2012；Lewicka和Colvin，2013; Gardea-Torresdey等, 2014; Fajardo等, 2014）。

納米TiO2是最為常用的納米材料之一，在環(huán)保、醫(yī)療、涂料、汽車等各行業(yè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著納米包膜肥料、納米土壤改良劑、TiO2光合作用促進(jìn)劑等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的規(guī)模化使用，納米TiO2進(jìn)入土壤的機(jī)會(huì)和數(shù)量與日俱增，已不可避免的造成土壤生態(tài)系統(tǒng)的暴露（Ge等, 2011; Du等, 2011; Kim等, 2012）。土壤微生物活性是土壤微生物群落生長(zhǎng)狀況的整體表現(xiàn)，是反映土壤污染、表征土壤質(zhì)量、衡量土壤生態(tài)系統(tǒng)管理措施和擾動(dòng)變化的敏感指標(biāo)。本研究基于耕作紅壤田地的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以土壤—納米TiO2—微生物體系為研究對(duì)象，通過(guò)分析測(cè)試土壤微生物菌落數(shù)、土壤呼吸強(qiáng)度、土壤蛋白酶活性等參數(shù)，綜合探討納米TiO2對(duì)土壤微生物活性的影響。以期促進(jìn)對(duì)納米材料生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面的科學(xué)評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與材料

本研究采用將納米TiO2均勻混合于耕作土壤中的野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方式。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于福建省廈門市坂頭林場(chǎng)附近菜地中，土壤類型為硅鋁鐵質(zhì)紅壤土，質(zhì)地以砂質(zhì)粘壤土為主, pH為5.1, 上層土壤（0～40 cm）有機(jī)質(zhì)含量為1.53%～2.16%。供試納米TiO2為銳鈦型TiO2粉末(DK Co. LTD)，純度＞99%，平均粒徑20 nm, 比表面積＞15 m2·g-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

在菜地中隨機(jī)選擇5個(gè)0.1 m2大小土地，將納米TiO2摻入耕作層（0～40 cm）土壤中，納米TiO2與土壤的質(zhì)量比按0.1、0.2、0.5、1、3 mg·g-1的比例混合均勻。在與周邊土地保持同樣土肥、水熱條件下繼續(xù)耕種。以10 d為一個(gè)實(shí)驗(yàn)采樣頻次，在一

個(gè)季度（90 d）的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，對(duì)6組實(shí)驗(yàn)(包括空白對(duì)照組-CK組)的表層（0～20 cm）土壤中的土壤微生物菌落數(shù)、土壤呼吸強(qiáng)度和土壤蛋白酶活性等指標(biāo)分組測(cè)定。

1.3 分析測(cè)試

土壤微生物菌落數(shù)采用稀釋平板計(jì)數(shù)法，土壤呼吸強(qiáng)度采用堿式滴定法，土壤蛋白酶活性采用Folin試劑分光光度法，各實(shí)驗(yàn)均參照規(guī)范方法操作（李振高等，2008；林先貴，2012）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用統(tǒng)計(jì)軟件Excel 2007和SPSS 16.0進(jìn)行處理分析。

圖1 不同納米TiO2添加量/（mg·g-1）對(duì)土壤微生物菌落數(shù)的影響Fig. 1 The effect of different dosage/ (mg·g-1) of Nano -TiO2on soil microbial colonies

2 結(jié)果

2.1 納米TiO2對(duì)土壤微生物菌落數(shù)的影響

通過(guò)測(cè)試包括空白對(duì)照組（CK）在內(nèi)的6組土樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的土壤微生物菌落數(shù)，圖1表明，不同的納米TiO2添加量和不同的時(shí)間段，土壤微生物菌落數(shù)變化表現(xiàn)出一定的差異性。CK組在整個(gè)90 d的試驗(yàn)周期內(nèi)土壤微生物菌落數(shù)變化范圍是3.59～3.92 CPU（107·g-1）。低納米TiO2劑量（0.1、0.2 mg·g-1）土樣微生物菌落數(shù)在實(shí)驗(yàn)前期（10、20、30 d）明顯低于CK組，在實(shí)驗(yàn)后期（80、90 d）與CK組的差距有所縮小。如添加納米TiO2劑量為0.1 mg·g-1的土樣中的微生物菌落數(shù)變化范圍是3.27～3.78 CPU（107·g-1）；高納米TiO2劑量（1、3 mg·g-1）土樣微生物菌落數(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均明顯受到抑制。如添加納米TiO2劑量為3 g·kg-1的土樣中的微生物菌落數(shù)變化范圍是2.18～2.61 CPU（107·g-1）。總體而言，納米TiO2對(duì)土壤微生物菌落數(shù)有一定的抑制作用，且納米TiO2劑量越大，抑制作用越明顯。

2.2 納米TiO2對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響

通過(guò)測(cè)試包括空白對(duì)照組（CK）在內(nèi)的6組土樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的土壤呼吸強(qiáng)度（以CO2計(jì)，mg·g-1），圖2表明，不同的納米TiO2添加量和不同的時(shí)間段，土壤呼吸強(qiáng)度變化表現(xiàn)出一定的差異性。CK組在整個(gè)90 d的試驗(yàn)周期內(nèi)土壤呼吸強(qiáng)度變化范圍是0.49～0.61（mg·g-1）。低納米TiO2劑量（0.1、0.2 mg·g-1）土樣呼吸強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)前期（10、20、30 d）明顯低于CK組，在實(shí)驗(yàn)后期（80、90 d）與CK組的差距有所縮小。如添加納米TiO2劑量為0.1 mg·g-1的土樣呼吸強(qiáng)度變化范圍是0.43～0.54（mg·g-1）；高納米TiO2劑量（1、3 mg·g-1）土樣呼吸強(qiáng)度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均明顯受到抑制。如添加納米TiO2劑量為3 mg·g-1的土樣呼吸強(qiáng)度變化范圍是0.19～0.28（mg·g-1）。總體而言，納米TiO2對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度有一定的抑制作用，且納米TiO2劑量越大，抑制作用越明顯。

2.3 納米TiO2對(duì)土壤蛋白酶活性的影響

通過(guò)測(cè)試包括空白對(duì)照組（CK）在內(nèi)的6組土樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的土壤蛋白酶活性，圖3表明,不同的納米TiO2添加量和不同的時(shí)間段，土壤蛋白酶活性變化表現(xiàn)出一定的差異性。CK組在整個(gè)90 d的試驗(yàn)周期內(nèi)土壤蛋白酶活性變化范圍是0.068～0.081（mg·g-1）。低納米TiO2劑量（0.1、0.2 mg·g-1）土樣蛋白酶活性在實(shí)驗(yàn)前期（10、20、30 d）明顯低于CK組，在實(shí)驗(yàn)后期（80、90 d）與CK組的差距有所縮小。如添加納米TiO2劑量為0.1 mg·g-1的土樣蛋白酶活性變化范圍是0.052～0.070（mg·g-1）；高納米TiO2劑量（1、3 mg·g-1）土樣蛋白酶活性在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均明顯受到抑制。如添

加納米TiO2劑量為3 mg·g-1的土樣蛋白酶活性變化范圍是0.015～0.034（mg·g-1）。總體而言，納米TiO2對(duì)土壤蛋白酶活性有一定的抑制作用，且納米TiO2劑量越大，抑制作用越明顯。

圖2 不同納米TiO2添加量（mg·g-1）對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響Fig. 2 The effect of different dosage (mg·g-1) of Nano -TiO2on intensity of soil respiration

圖3 不同納米TiO2添加量（mg·g-1）對(duì)土壤蛋白酶活性的影響Fig. 3 The effect of different dosage (mg·g-1) of Nano -TiO2on soil proteinase activities

3 討論

3.1 土壤微生物活性的度量

土壤微生物是生活在土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌等的總稱，土壤微生物菌落數(shù)的數(shù)值大小反映了土壤微生物在該土壤環(huán)境中的適宜程度；土壤呼吸強(qiáng)度主要反映了土壤微生物的呼吸作用，影響微生物活性的各種因素（如pH/溫度/毒性物質(zhì)）的變化都能從土壤呼吸強(qiáng)度的變化中反映出來(lái)；蛋白酶屬于水解性酶類，為植物提供有效氮素營(yíng)養(yǎng)和在促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素的礦化上起重要作用，是衡量土壤肥力及土壤微生物總活性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，綜合土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)，基本能反映土壤微生物活性的整體狀況（Hungria等, 2009；Chaer等, 2009；Manna等, 2013）。

3.2 納米TiO2對(duì)土壤微生物活性的影響

納米材料對(duì)生態(tài)環(huán)境的毒性效應(yīng)的相關(guān)研究已有很多的工作開(kāi)展，但是目前絕大部分工作是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)，沒(méi)能反映真實(shí)環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物等各種因素的綜合境況。本研究通過(guò)對(duì)耕作紅壤的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，能較為真實(shí)的反映納米 TiO2對(duì)土壤微生物活性的影響。

納米TiO2對(duì)土壤微生物抑制較為合理的影響機(jī)制是隨著顆粒尺寸縮小，納米TiO2表面晶格

可能出現(xiàn)破損，從而產(chǎn)生電子缺損或富余的活性位點(diǎn)，一定條件下可與O2相互作用形成超氧自由基（O2-）及其它ROS（Reactive Oxygen Species-活性氧簇）。ROS可增加氧化壓力，導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化、破壞細(xì)胞膜，引起微生物毒性效應(yīng)（Nel等, 2006；Lyon等, 2008）。對(duì)于能受到陽(yáng)光照射的表層土壤，除了上述影響機(jī)制外，納米TiO2的光催化特性也不容忽視。納米TiO2在光照射下自行分解出自由移動(dòng)的帶負(fù)電的電子(e-)和帶正電的空穴(h+)，形成電子－空穴對(duì)。吸附溶解在TiO2表面的氧俘獲電子形成氧自由基，而空穴則將吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成氫氧自由基。生成的氧自由基和氫氧自由基均有很強(qiáng)的化學(xué)活性，特別是氧自由基能與多數(shù)有機(jī)物反應(yīng)，使得有機(jī)物得到降解，從而抑制微生物的生長(zhǎng)（Linsebigler等, 1995；Ge等, 2011；Allahverdiyev等, 2011）。

本研究中，耕作紅壤摻雜納米TiO2后，土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)均低于空白對(duì)照土樣，說(shuō)明土壤微生物活性受納米TiO2抑制，且納米TiO2劑量越大，抑制作用越明顯。對(duì)于低納米TiO2劑量（0.1、0.2 mg·g-1）土樣土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)在實(shí)驗(yàn)前期（10、20、30 d）明顯低于空白對(duì)照土樣，在實(shí)驗(yàn)后期（80、90 d）與空白對(duì)照土樣的差距有所縮小。可能是隨著時(shí)間延長(zhǎng)，由于澆灌，表層（0～20 cm）土壤中的部分納米TiO2逐漸淋濾滲入中下層，其光催化性能也隨之減弱，從而減少了對(duì)表層土壤微生物活性的抑制作用。而高納米TiO2劑量（1、3 mg·g-1）土樣中由于納米TiO2劑量較高，即使部分淋濾流失后，在整個(gè)90 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)也能一直保持對(duì)土壤微生物活性的明顯抑制。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)耕作紅壤的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，綜合土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)，較為真實(shí)的反映了納米TiO2對(duì)土壤微生物活性的影響。研究表明，在整個(gè)90 d的試驗(yàn)周期內(nèi)，空白對(duì)照土樣土壤微生物菌落數(shù)變化范圍是3.59～3.92 CPU（107·g-1）、土壤呼吸強(qiáng)度變化范圍是0.49～0.61（mg·g-1）、土壤蛋白酶活性變化范圍是0.068～0.081（mg·g-1）。耕作紅壤摻雜不同劑量（0.1、0.2、0.5、1、3 mg·g-1）納米TiO2后，土壤微生物菌落數(shù)、呼吸強(qiáng)度和蛋白酶活性等參數(shù)均低于空白對(duì)照土樣，說(shuō)明土壤微生物活性受納米TiO2抑制，且納米TiO2劑量越大，抑制作用越明顯。納米TiO2對(duì)土壤微生物抑制機(jī)制包括由于納米尺寸效應(yīng)形成的超氧自由基（O2-）和其它ROS，以及由于TiO2的光催化效應(yīng)生成的氧自由基和氫氧自由基的共同作用。

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Effect of Nano-TiO2on red soil microbial activity

LIU Qiming1, WU Zeen1, ZHU Yizhen1, CAO Yinglan1, JIAO Yupei1,2, CAO Xin1
1. College of Food and Biological Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China；2. Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China

Nanomaterials have nanostructured components with at least one dimension less than 100 nm. Nanomaterials are already widely used in the various industries due to the special physical and chemical properties they exhibit compared to the bulk material. Increasing production and use of nanomaterials have raised concerns about their potential negative ecological and environmental impacts. Nano-TiO2is among the most highly used nanomaterials in industry. And Nano-TiO2is introduced into the soil as a result of a number of human activities, including intentional and unintentional releases. In this study, based on field test, the effects of nano-TiO2on red soil microbial activity were systematically investigated from three aspects including soil microbial colonies, intensity of soil microbial respiration and soil proteinase activities. Experimental results showed the soil microbial colonies of Ck soil samples range from 3.59-3.92 CPU(107·g-1), the soil respiration of Ck soil samples range from 0.49-0.61(mg·g-1), the soil proteinase activities of Ck soil samples range from 0.068-0.081(mg·g-1). And the soil microbial activity of red soil was inhibited after mixed with different dosages (0.1, 0.2, 0.5, 1, 3 mg·g-1) of nano-TiO2, and higher dosages of nano-TiO2, the more inhibition obvious.

Nano-TiO2; red soil; microbial activity

X171

A

1674-5906（2014）05-0859-05

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01162；2013J01162）；廈門南方海洋中心項(xiàng)目

劉啟明（1973年生），男，副教授，博士，從事生態(tài)環(huán)境研究工作。E-mail: liuqm@jmu.edu.cn

2014-02-24

劉啟明，吳澤恩，朱藝貞，曹英蘭，焦玉佩，曹馨. 納米TiO2對(duì)耕作紅壤土壤微生物活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(5): 859-863.

LIU Qiming, WU Zeen, ZHU Yizhen, CAO Yinglan, JIAO Yupei, CAO Xin. Effect of Nano-TiO2on red soil microbial activity [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 859-863.