论文部分内容阅读
石墨烯因独特的理化特性使其在各领域具有广阔的应用前景。随着生产和使用量的不断增大,石墨烯将不可避免地进入到环境中,给生态环境和人类健康带来潜在风险。迄今,已有诸多研究报道了石墨烯的环境生态毒理效应。植物作为生态系统中重要生产者,尽管石墨烯材料对其生理学影响及机制已被多方报道,但石墨烯对植物生长必需大量元素—氮素的吸收及转化方面影响的报道仍缺乏。此外,土壤作为石墨烯最大的可能性受体,石墨烯对土壤中最重要的氮素养分转化的影响也亟待进一步研究。因此,本研究以小麦和土壤作为研究对象,首先研究了氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）对小麦硝态氮吸收和同化的影响及内在机制,随后揭示GO对土壤氮转化的影响及机制。本研究有望为石墨烯对植物氮素利用效率和土壤氮素循环的影响提供基础信息。主要取得以下几方面的研究成果:（1）200-800 mg·L-1GO处理的小麦根部硝态氮浓度显着降低。无损伤微电极测量结果表明,GO可以显着降低小麦根部分生区、伸长区和成熟区的NO3-净通量。进一步分析表明,GO可进入根细胞,在液泡中聚集,并且显著减少最大根长和侧根数量。此外,还可以观察到GO处理使小麦根尖变白、出现折痕,诱导氧化应激并减弱根系呼吸。上述结果表明,GO不利于根系生长,并减少根系养分吸收面积。在分子水平上,GO胁迫会导致小麦根系DNA损伤并抑制大多数硝酸盐转运蛋白（Nitrate transporter,NRTs）的基因表达,其中下调最显着的基因是NRT1.3、NRT1.5、NRT2.1、NRT2.3和NRT2.4。因此,GO胁迫可通过减少小麦根吸收面积和根系活性,并降低了NRTs的表达抑制NO3-吸收速率,不利于植物对硝酸盐的积累。（2）200-800 mg·L-1GO处理下,单层和多层GO对小麦地上部生长根系鲜重、长度和侧根数均随着处理浓度的升高逐渐呈现显著抑制效应。并且,上述指标在单层和多层GO处理间无显著差异。进一步分析发现,高浓度GO处理显著降低了根系硝态氮、同化氮和总氮含量。其中,400 mg·L-1单层处理下根的硝态氮、同化氮和总氮降幅比多层GO处理高了0.9、1.3和1倍。根系氧化胁迫及NO3-吸收原位分析表明,与多层GO相比单层GO使根尖受损程度更大,NO3-净流入速率更低。此外,单层GO处理下小麦根系中多个硝酸盐转运体基因包括NRT1.5、NRT2.1、NRT2.2、NRT2.3和NRT2.4的表达水平也较多层GO处理更低。对地上部而言,>400 mg·L-1单层和多层GO也显著降低了地上部氮浓度,但两种GO处理间无显著差异。此外,尽管GO处理降低了地上部氮含量,但对光合作用的影响尚未达到显著性水平。综上,与多层GO相比,相同浓度的单层GO诱导的根系氧化胁迫以及对植物硝态氮吸收及积累的抑制效应更为显著。（3）400 mg·L-1GO处理显著抑制小麦鲜重的积累,并导致其在地上部和根部分别产生4895和10987个差异表达基因（DEGs）。进一步分析显示,GO可导致地上部谷氨酰胺合成酶（GS）编码基因显著下调。而根部除此之外,其硝酸盐还原酶（NR）、谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）的部分编码基因也均显示出显著下调的趋势。相应地,GO同时引起小麦根部多个氮同化相关酶活性降低,其中作为硝态氮同化限速酶的硝酸还原酶（Nitrate reductase,NR）活性在400 mg·L-1GO浓度下较对照降低75%,而作为铵态氮同化中心酶的GS活性则降低76%。随之,GO对氮同化产物包括亚硝态氮、铵态氮、谷氨酰胺、谷氨酸和蛋白含量也呈负调控。上述结果表明GO处理不利于小麦的N同化,并以对NR和GS参与的氮同化影响最为显著。（4）在配施尿素氮肥的土壤中,GO可显著降低土壤微生物量,并引起微生物多样性下降。其中,氮转化相关菌如厚壁菌门（Firmicutes）、硝化螺旋菌门（Nitrospira）、变形菌门（Proteobacteria）、浮霉菌门（Planctomyces）、蓝藻菌门（Cyanobacteria）丰度在GO处理后显著下降,且对多层GO的响应更为显著。参与氮转化的相关酶中,硝酸还原酶对GO的响应浓度最低、降幅最大,其次是氨单加氧酶和脲酶,变幅分别达13%-31%、5%-26%和9-19%。高浓度GO的添加使土壤尿素留存量较对照显著增加32%-59%,而铵态氮和硝态氮含量则分别低22%-28%和55%-69%。上述研究结果表明,土壤中GO的添加可降低微生物的活性,抑制土壤中尿素的水解,减少酰胺态氮向硝铵态氮的转化,减缓了土壤的氮循环。