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Science子刊:华东师大刘敏团队揭示氮循环微生物作用机制

摘要 : 2017年8月2日,国际顶尖学术期刊《Science》旗下《Science Advances》杂志上在线发表了华东师范大学自然地理与环境地理学刘敏教授团队在氮生物地球化学循环及其生态环境效应研究领域取得重要研究进展。

2017年8月2日,国际顶尖学术期刊《Science》旗下《Science Advances》杂志上在线发表了华东师范大学自然地理与环境地理学刘敏教授团队在氮生物地球化学循环及其生态环境效应研究领域取得重要研究进展。团队首次从微生物基因水平上揭示了纳米银对水环境氮循环的毒性效应与作用机理,发现环境中广泛存在的纳米银可通过调控功能微生物的氮代谢过程,降低氮转化效率,促进温室气体氧化亚氮的产生与排放,从而加剧水体富营养化和温室效应等环境问题,使得日益严峻的水体氮污染和全球变化问题雪上加霜。相关研究成果题为《纳米银对水环境硝化过程及其氧化亚氮产生的影响》博士后郑艳玲、河口海岸科学研究院侯立军教授为该论文共同第一作者,刘敏教授、侯立军教授为该论文共同通讯作者,为该成果第一完成单位。

随着人口的不断增长和社会经济的快速发展,大量氮营养盐由流域输入到河口近岸地区,给水生生态系统造成了严重的生态与环境问题,如水体富营养化、有害藻类赤潮、季节性或永久性缺氧、温室气体排放等。此外,随着纳米技术的飞速发展,纳米银(具有广谱杀菌性)等纳米材料被大量地生产和使用,引起纳米银在水环境中大量富集,从而引发人类健康及生态环境问题。然而,纳米银在水环境中的赋存究竟对氮素的微生物转化产生怎样的毒性效应,影响机理尚不清楚,是一个兼具重要环境意义和学术价值的前沿课题。

刘敏教授团队采用多学科联合研究的方法系统探究了纳米银对氮循环关键环节硝化过程的影响及其微生物响应机理。研究发现,纳米银抑制硝化速率,干扰氮循环过程,从而会降低湿地的脱氮生态功能。此外,有意思的是,检测过程中发现纳米银对硝化中间产物氧化亚氮(一种重要的温室气体)的产生却呈现出低浓度(环境浓度)促进、高浓度抑制的现象(hormesis effect)。与非暴露对照组相比,纳米银对硝化过程氧化亚氮产生的促进程度可高达100%。这表明纳米银对氮循环的干扰将加剧水体富营养化与大气温室效应等环境问题。

纳米银究竟如何影响氮转化?其毒性机理是什么?为此,课题组进一步通过系列分子生物学实验进行了探究。目前,已利用宏转录组全面揭示纳米银对环境功能微生物的代谢干扰极富挑战性。鉴于此,课题组尝试启动了硝化反应器,通过严格控制反应条件成功富集到硝化功能菌群,且保证其菌群组成与原位环境未有明显改变。以此为基础,课题组成功构建了高质量的宏转录组文库,揭示了纳米银是通过调控硝化菌相关氮转化功能基因的表达,干扰了硝化菌的正常生理代谢,从而影响了氮转化过程;同时,发现纳米银是通过刺激一氧化氮还原酶基因(nitric oxide reductase)的表达,促进了硝化过程副产物氧化亚氮的产生与释放。

硝化过程中氧化亚氮的产生途径非常复杂,研究团队基于15N-site preference(SP)同位素分析首次揭示,纳米银是通过刺激羟胺氧化途径(而非亚硝氮还原途径)而促进了温室气体氧化亚氮的产生。

研究工作得到了同行评审专家的高度评价,认为本研究“实验设计完美(perfectly designed)”,研究结果“出色且激动人心(excellent and exciting)”。该研究拓展了毒性污染物对水环境氮转化过程的影响研究,引领了生物地球化学循环与分子微生物学交叉研究的学科发展方向,为开展水生生态系统的毒理学研究提供了新的学术思路。此外,研究团队提出:“合理控制纳米银等毒性污染物的排放并进行有效监管具有重要的现实意义。”

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纳米银对硝化速率及硝化过程氧化亚氮产生的影响

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硝化菌在基因表达水平上对低浓度纳米银暴露的响应

原文链接:

Effects of silver nanoparticles on nitrification and associated nitrous oxide production in aquatic environments

原文摘要:

 

Silver nanoparticles (AgNPs) are the most common materials in nanotechnology-based consumer products globally. Because of the wide application of AgNPs, their potential environmental impact is currently a highly topical focus of concern. Nitrification is one of the processes in the nitrogen cycle most susceptible to AgNPs but the specific effects of AgNPs on nitrification in aquatic environments are not well understood. We report the influence of AgNPs on nitrification and associated nitrous oxide (N2O) production in estuarine sediments. AgNPs inhibited nitrification rates, which decreased exponentially with increasing AgNP concentrations. The response of nitrifier N2O production to AgNPs exhibited low-dose stimulation (<534, 1476, and 2473 μg liter−1 for 10-, 30-, and 100-nm AgNPs, respectively) and high-dose inhibition (hormesis effect). Compared with controls, N2O production could be enhanced by >100% at low doses of AgNPs. This result was confirmed by metatranscriptome studies showing up-regulation of nitric oxide reductase (norQ) gene expression in the low-dose treatment. Isotopomer analysis revealed that hydroxylamine oxidation was the main N2O production pathway, and its contribution to N2O emission was enhanced when exposed to low-dose AgNPs. This study highlights the molecular underpinnings of the effects of AgNPs on nitrification activity and demonstrates that the release of AgNPs into the environment should be controlled because they interfere with nitrifying communities and stimulate N2O emission.

来源: Science Advances 浏览次数:0

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