二氧化鈦納米顆粒對(duì)沼澤土壤反硝化和N2O排放的影響

范峰華,鄭榮波,劉 爽,郭雪蓮

1 西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院, 昆明 650224 2 國(guó)家高原濕地研究中心, 昆明 650224 3 西南林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院, 昆明 650224

1 材料與方法

1.1 TiO2NPs材料及預(yù)處理

本研究選取的TiO2NPs為銳鈦礦(Anatase),純度為99.8%,粒徑為10—25 nm,親水,購(gòu)于阿拉丁試劑官網(wǎng)。為了防止聚集,將配好溶液放置超聲波(200V,50 kHz)超聲30 min。

1.2 土壤樣品采樣與預(yù)處理

2017年7月,在納帕海國(guó)際重要濕地內(nèi)(99°37′10.6″—99°40′20.0″E,27°48′55.6″—27°54′28.0″N)內(nèi)選擇典型沼澤土壤。用直徑5 cm的土鉆隨機(jī)采集0—10 cm的土壤,剔除土壤中可見的石塊和動(dòng)植物殘?bào)w后,裝進(jìn)自封袋,帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)風(fēng)干、均質(zhì)化、研磨后過(guò)2 mm篩,用于室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

1.3 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

1.4 樣品測(cè)定

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 25軟件統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析不同劑量TiO2NPs處理對(duì)沼澤土壤理化性質(zhì)、反硝化酶活性、DNR和N2O排放的影響(P<0.05)。采用Pearson分析TiO2NPs處理下沼澤濕地土壤理化性質(zhì)、反硝化酶活性和DNR、N2O排放相關(guān)關(guān)系。使用Amos 24 構(gòu)建TiO2NPs處理對(duì)DNR和N2O排放影響的結(jié)構(gòu)方程模型。圖件制作采用Origin 2018軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 TiO2NPs對(duì)沼澤土壤理化性質(zhì)的影響

3.2 TiO2NPs對(duì)沼澤土壤反硝化酶活性的影響

TiO2NPs對(duì)沼澤土壤反硝化酶活性影響詳見圖1,培養(yǎng)14 d,A1000處理NIR活性顯著降低(P<0.05)；培養(yǎng)35 d,A10和A1000處理NAR活性顯著降低(P<0.01)。培養(yǎng)7 d,A1000處理NIR活性顯著增加(P<0.05)；培養(yǎng)14 d,A1000處理NIR活性顯著降低(P<0.01)。在整個(gè)培養(yǎng)周期,TiO2NPs處理NOR活性均顯著增加(P<0.01)。除14 d A100處理外,TiO2NPs處理NOS活性均顯著增加(P<0.01)。

表1 TiO2NPs處理對(duì)沼澤土壤理化性質(zhì)影響

圖1 TiO2NPs處理對(duì)沼澤土壤NAR活性、NIR活性、NOR活性和NOS活性的影響Fig.1 The effect of TiO2NPs addition on Nitrate reductase activity, Nitrite reductase activity, Nitric oxide reductase activity and Nitrous oxide reductase of marsh soilNAR：硝酸鹽還原酶Nitrate reductase；NIR：亞硝酸鹽還原酶Nitrite reductase；NOR：一氧化氮還原酶Nitric oxide reductase；NOS：氧化亞氮還原酶Nitrous oxide reductase;CK：0 mg/kg；A10：10 mg/kg；A100：100 mg/kg；A1000：1000 mg/kg

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),A10處理NAR活性降低。不同劑量TiO2NPs處理的NIR活性總體呈下降趨勢(shì)(P<0.01)。A10和A1000處理NOR活性呈下降趨勢(shì)(P<0.01)。A10和A1000處理NOS活性先增加后降低,A100處理NOS活性降低(P<0.01)。

3.3 TiO2NPs對(duì)沼澤土壤DNR和N2O通量的影響

TiO2NPs對(duì)沼澤土壤DNR和N2O通量的變化的影響詳見圖2。培養(yǎng)14 d,A1000處理DNR顯著降低(P<0.05)；培養(yǎng)35 d,A100處理DNR顯著降低(P<0.01)。培養(yǎng)7 d,A10和A1000處理N2O通量顯著提高(P<0.01)；培養(yǎng)35 d,A100和A1000處理N2O通量顯著提高(P<0.01)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),A100處理DNR先增加后降低(P<0.05)。A100處理N2O通量不斷增加(P<0.01)。

圖2 TiO2NPs處理對(duì)沼澤土壤DNR和N2O通量的影響Fig.2 The effect of TiO2NPs addition on DNR and N2O flux of marsh soil

3.4 TiO2NPs處理下沼澤土壤反硝化作用與土壤環(huán)境的關(guān)系

表2 TiO2NPs處理下沼澤土壤反硝化作用和N2O排放與土壤環(huán)境的關(guān)系

4 討論

4.1 TiO2NPs對(duì)沼澤土壤反硝化酶活性的影響分析

圖3 TiO2NPs處理對(duì)沼澤土壤DNR和N2O排放的影響機(jī)制分析Fig.3 Analysis of the influence mechanism of TiO2NPs addition on DNR and N2O emissions of marsh soil 其擬合指標(biāo)選取概率值(P)、卡方自由度比(CMIN/DF)、比較擬合指數(shù)(CFI)、擬合度指數(shù)(GFI)及綜合擬合指標(biāo)(AIC)；黑色粗實(shí)線代表正向影響,黑色粗虛線代表負(fù)面影響,灰色細(xì)虛線代表無(wú)顯著影響；*為P<0.05,**為P<0.01,***為P<0.001

4.2 TiO2NPs對(duì)沼澤土壤DNR及N2O排放的影響分析

5 結(jié)論

本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究了TiO2NPs輸入對(duì)沼澤土壤反硝化作用和N2O排放的影響,結(jié)果表明不同劑量TiO2NPs處理會(huì)對(duì)沼澤土壤反硝化作用和N2O排放影響。

(2)TiO2NPs處理抑制了NAR活性,其中A10和A1000處理NAR活性顯著降低(P<0.01)；A1000處理抑制了NIR活性(P<0.05),但隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),TiO2NPs抑制作用減弱；不同劑量TiO2NPs處理NOR和NOS活性顯著提高(P<0.01)。

(3)DNR與NIR活性呈顯著正相關(guān)(P<0.01),N2O排放與NOR活性呈顯著正相關(guān)(P<0.01),TiO2NPs輸入通過(guò)抑制沼澤土壤NIR活性降低DNR；通過(guò)促進(jìn)沼澤土壤NOR活性促進(jìn)N2O排放。酶活性的變化影響了土壤反硝化過(guò)程,環(huán)境因子的變化在調(diào)控沼澤生態(tài)系統(tǒng)功能中具有重要的作用,TiO2NPs在環(huán)境中的大量釋放可能對(duì)水環(huán)境和區(qū)域氣候構(gòu)成潛在威脅。