土壤中银纳米颗粒的运动、积累与转化

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Movement, accumulation, and transformation of silver nanoparticles in soil

银纳米颗粒（AgNPs）对土壤微生物群落的影响及其与土壤特性的相互作用。通过PLFA分析发现，AgNPs浓度超过350 mg/kg显著降低 Proteobacteria、Firmicutes等菌群丰度， Protozoa通过抑制Proteobacteria调控碳氮循环。AgNPs的迁移和转化受粒径、表面电荷及土壤黏粒、有机质等特性影响，其毒性受环境交互作用调控，需建立土壤特异性风险评估模型。

　　

莱拉·索鲁迪|赛义德·阿里·阿布塔希|莎赫拉·马哈茂迪

伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学西分校环境工程与科学系

摘要

银纳米颗粒（AgNPs）的广泛使用凸显了密切研究其对土壤生态系统影响的必要性。将银纳米颗粒以五种浓度（0、130、350、570和790毫克/千克土壤）引入土壤样本，并进行了三次重复实验。银纳米颗粒的引入立即引发了土壤微生物群落的响应。通过气相色谱-质谱（GC/MS）技术对微生物细胞膜进行了磷脂脂肪酸（PLFA）分析。为了识别和分类微生物群落，使用了Sherlock Microbial ID系统（版本4.5）进行峰值验证。研究结果表明，银纳米颗粒显著影响了土壤微生物群落的丰度和组成。在350毫克/千克及以上的浓度下，变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和一般细菌（General Bacteria）的数量显著减少。虽然原生动物（Protozoa）的数量很少，但它们对变形菌门的丰度具有抑制作用，并调节了变形菌门的碳和氮矿化过程。银纳米颗粒在土壤中的运动、积累和转化受到多种因素的影响，包括其自身的性质（如大小和表面电荷）以及土壤成分（如粘土、碳酸盐、天然有机物（NOM）和微生物）。这些因素共同显著影响了银纳米颗粒在土壤环境中的迁移、积累和转化动态。另一项研究发现，银纳米颗粒的毒性取决于它们与其他颗粒和污染物的相互作用，这种相互作用可能会增强或减弱其毒性。为了准确评估长期毒性，传输模型需要考虑这些纳米颗粒所经历的环境转化过程。

引言

土壤通常被视为不可再生自然资源，因为其形成速度极慢，远远超过人类的生命周期。土壤是通过风化过程形成的。当原始基岩经历化学和物理风化，并经过搬运、沉积和降水作用后，最终形成土壤。根据沉积方式，母质物质被分类。残留物质是指直接从下层基岩中形成并风化的矿物物质（Aehnelt和Totsche，2025年）。土壤生态系统是一个充满活力、充满生命且复杂的生态系统，其中微生物在维持和调节土壤健康方面发挥着重要作用。微生物具备履行这些基本功能的能力，这一点在未受干扰的自然生态系统中尤为明显，这些生态系统在数个世纪以来一直保持着平衡和肥沃状态。土壤的健康和生产力在很大程度上依赖于微生物活动。微生物执行诸如养分循环和有机物分解等重要功能。它们还支持植物生长，并有助于解毒有害物质（Delgado-Baquerizo等人，2016年）。微生物通过促进土壤颗粒与有机碳的结合，在土壤颗粒化过程中起着关键作用。这一过程显著提高了土壤肥力，改善了土壤结构，分解了有机物，并调节了大气（Lozano等人，2014年）。土壤是地球上生命的基石，对于应对许多当代环境挑战至关重要。土壤表层承载了大部分生物活动，而随着深度的增加，生物活动显著减少。在表面下30厘米处，微生物活动几乎可以忽略不计。尽管微生物只占土壤表层的一小部分，但它们在氮、磷和硫的循环以及有机物分解等关键过程中起着重要作用（Van der Bij等人，2018年）。人们对土壤重要性的日益认识强调了它们作为环境可持续性、气候变化缓解、生态系统健康、土地管理实践和粮食安全的重要指标的作用（Hou等人，2020年）。由多种威胁导致的土壤退化继续削弱土壤履行其基本功能的能力（Yang等人，2020年）。微生物在维持土壤生态系统的健康和功能方面发挥着重要作用，包括分解有机物、稳定土壤团聚体、分解农业毒素和农药、平衡微生物群落、抑制土壤传播的疾病、循环必需养分、固定植物生长所需的氮以及管理碳、氮和磷的循环。此外，它们通过扩大植物根系的表面积来促进养分吸收，从而改善土壤结构（Hemkemeyer等人，2021年）。土壤微生物学研究微生物的行为、功能及其对土壤特性的影响。正确评估土壤生物学需要采用先进的方法来有效检测和测量微生物群落（Friedman等人，2017年）。这些方法通常分为生化和分子技术，每种技术都有其优势和局限性。例如，微生物培养方法无法检测不可培养的微生物，因为许多物种无法在实验室培养基上生长。实际上，标准的微生物培养技术无法涵盖超过90%的环境微生物。另一方面，虽然像总DNA或RNA提取这样的分子方法非常强大，但往往成本高昂且耗时较长。与磷脂脂肪酸（PLFA）分析等技术相比，这些方法只能提供微生物多样性和生理条件的一部分视图（Reinsch等人，2014年）。磷脂脂肪酸（PLFAs）是生物膜的重要组成部分，由磷酸基团和特定物种的脂质组成。由于磷酸酶的作用，这些成分在细胞死亡后迅速降解，使其成为微生物研究中的有用生化指标。因此，PLFA生物标志物被用于量化重要微生物并提供检查微生物群落结构的独特“指纹”（Willers等人，2015年）。PLFA是研究土壤微生物组的重要技术。土壤健康与其执行基本功能的能力密切相关，这突显了土壤微生物在养分循环和有机物分解等过程中的重要作用。因此，研究应优先了解微生物功能特征如何影响这些关键土壤功能，尤其是在暴露于银纳米颗粒（AgNPs）的情况下。另一方面，银纳米颗粒是全球使用最广泛的纳米技术产品之一，估计年使用量约为320吨（Nowack等人，2011年）。尽管它们在医学、农业和制造业等领域得到广泛应用，但对其对生态系统、人类和野生动物的潜在毒性影响的研究仍然相对有限（Holden等人，2014年）。银纳米颗粒的广泛使用带来了环境污染的风险，尤其是对土壤的污染。这种污染可能通过农业实践直接发生，或通过废水排放间接发生（Zhang等人，2012年）。银纳米颗粒的广泛使用强调了彻底研究其对土壤生态系统影响的重要性。最近的研究表明，银纳米颗粒（AgNPs）作为一种创新且有前景的解决方案，在农业和可持续作物生产方面具有巨大潜力，这得益于它们的多种应用。这些纳米颗粒通过促进种子发芽和促进植物生长，对农业实践做出了重要贡献。它们的应用范围包括纳米杀虫剂、纳米肥料、食品包装、害虫管理和食品保存，在这些领域中它们作为高效的纳米抗菌剂、纳米抗真菌剂和纳米抗病毒剂发挥作用（Khan等人，2023年）。尽管在某些农业应用中适当使用银纳米颗粒不会损害作物，但仍需谨慎监控它们进入土壤生态系统的情况。一旦释放，银纳米颗粒可能会经历物理、化学和生物转化，从而增加其在土壤环境中的毒性。它们在土壤中的积累构成风险，因为它们可能作为污染物导致氧化应激（Alfosea-Simón等人，2025年）。银纳米颗粒是农业场所中常见的污染物类型，但由于缺乏先进的分析方法，对其研究仍然不足。由于银纳米颗粒分析通常侧重于测量和量化（Ag⁺）离子，因此其他不在这些方法范围内的颗粒常常被忽视。本研究将有助于确定最易受影响的土壤功能。为了全面评估银纳米颗粒带来的危险并确定土壤环境的安全阈值，研究必须考虑土壤的物理和化学特性。本研究基于以下假设进行：（1）土壤微生物的丰度与银纳米颗粒之间存在显著相关性；（2）银纳米颗粒与土壤的物理和化学性质（如pH值、电导率（EC）、土壤颗粒大小分布（平均重量直径）、等效碳酸钙、有机碳、总氮和微生物呼吸作用）之间的相互作用。了解银纳米颗粒如何与土壤的物理和化学性质相互作用对于评估其环境影响至关重要。这些纳米颗粒有可能改变土壤结构、组成和微生物动态。从物理角度来看，它们可能通过与粘土、粉砂或有机物等颗粒的结合来影响土壤质地和孔隙度，从而影响水分保持能力、渗透率和通气性。从化学角度来看，银纳米颗粒可能与土壤pH值、离子交换能力和养分可用性相互作用，通过形成复合物或与土壤中的有机化合物反应来改变氮、磷和钾等必需养分的水平。此外，银离子的释放可能会影响氧化还原电位，从而可能破坏微生物群落，进而影响土壤肥力和生态系统平衡。这些相互作用受到纳米颗粒大小、浓度、土壤类型和环境条件等因素的影响，这强调了进一步研究其更广泛生态效应的必要性。本研究揭示了银纳米颗粒在土壤中的运动、积累和转化过程，同时强调了理解银纳米颗粒与土壤微生物相互作用的关键问题和关注点。这些见解将有助于揭示银纳米颗粒在土壤中的行为和影响，特别是在农业环境中。这项多维度研究将有助于确定土壤功能的关键毒性阈值，并制定特定于土壤的风险评估框架。

材料与方法

本研究从伊朗南部设拉子以北27公里处的农田顶部20厘米深度的土壤中采集了样本（经度52°43′，纬度29°47′，海拔1604米）。该地区年平均降雨量为318.5毫米，土壤质地被归类为沙壤土（37%粘土、46%粉砂、17%沙子）。所有土壤样本均通过2.0毫米筛网筛选。研究区域的地理坐标通过GPS确定。

结果

本研究采用分割区实验设计来研究银纳米颗粒对土壤微生物的影响，以及它们在土壤环境中的运动、积累和转化。主要因素是银纳米颗粒在土壤中的浓度（0、130、350、570和790毫克/千克土壤），共进行了三次重复实验；次要因素是时间（15、30、60和120天），也进行了四次重复实验。

讨论

在美国环境保护署注册的许多杀菌银产品（如消毒剂、除藻剂和水过滤器）都含有银纳米颗粒（AgNPs）。全球这些纳米颗粒的年产量预计超过数百吨（Pulit-Prociak和Banach，2016年）。银纳米颗粒在全球范围内得到越来越广泛的应用，据估计，它们每年通过污水污泥等途径对土壤的贡献量

结论

银纳米颗粒（AgNPs）在土壤中的掺入和逐渐积累引发了大量研究，以探索它们在自然生态系统中的行为、评估其潜在的毒性影响，并研究与其使用相关的风险。研究结果表明，土壤环境中银纳米颗粒浓度升高具有毒性，导致微生物群落多样性降低。这可能会扰乱土壤功能，危及共生关系和复杂的生态平衡

伦理批准

本研究不需要伦理批准。

作者贡献声明

莱拉·索鲁迪：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件使用、资源获取、项目管理、方法论、资金获取、数据分析、概念化。赛义德·阿里·阿布塔希：监督、研究。莎赫拉·马哈茂迪：监督。

知情同意

本手稿的作者设计了图表，因此发布这些图表不需要获得同意。

参与本研究不需要正式同意。

资金

本研究的资金来自莱拉·索鲁迪的博士论文，论文代码为22840425971009，由伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学西分校提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢审稿人和编辑对手稿提供的宝贵和富有洞察力的反馈。