氧化石墨烯对土壤微生物群落的影响研究

土壤是一个相对复杂的介质，富含丰富的微生物群落，其种类和相对丰度会影响土壤中的酶活性，进而影响土壤中的碳循环和固氮过程等。本节主要介绍GO对土壤中的微生物群落产生的影响。

从细菌群落的丰度和多样性的角度进行分析，GO的引入使土壤中的细菌群落丰度稍有增加。Chao指数和Shannon指数是常用的细菌种群多样性的衡量指数。基于Chao指数计算的OTUs总数分别为731（GO组）和713（空白组）。GO组Shannon指数为5.15，空白组Shannon指数为5.12。上述结果均说明用GO处理后，土壤细菌种类丰度有所增加。实验数据显示，两组共有OTUs数为629，GO组独有OTUs数为73，空白组独有OTUs数为62。从群落种类成分角度分析，GO组和空白组中主要的菌落都是重叠的。在门和纲的水平上，两组土壤中的细菌群落组成并未出现很大不同，但细化到属，则差异较明显。GO组土壤中，属于变形菌门类的一些有固氮功能的菌属丰度有明显提升，地杆菌属的相对丰度也有一定的提升。总体来说，GO的引入选择性地丰富了土壤中的菌群。

GO对土壤微生物的影响具有时效性。Chung等研究GO对1，4-β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、木糖苷酶、1，4-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶的活性变化及微生物量的影响。结果表明，GO处理21d之后降低了土壤中木糖苷酶、1，4-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶的活性。GO处理59d之后酶活性差异消失。整个实验期间，GO组土壤中微生物量与空白组相比并无明显差异。

对土壤中GO的化学成分进行表征。采用压力辅助过滤装置过滤取得GO溶液，制备以微滤膜为支撑衬底的GO膜，置于土壤中30d后取出。清除GO膜表面的土壤颗粒，对其进行XPS表征。未放入土壤的原始GO的C—C键、C—O单键和C＝O双键含量分别为45.26％、44.60％和10.14％。在土壤中放置30d的GO的C1s光谱结果如图6-4（a）所示，与原始GO相比，其C—C键含量上升为46.91％，C—O单键含量降低为35.23％，而C＝O双键含量显著上升，为17.17％。同时，在C1s光谱中还检测出少量的C—N键（0.69％）。GO与土壤发生作用后，XPS光谱中新增了N1s信号[图6-4（b）]，这说明GO表面负载了一些含氮官能团。GO的N1s光谱的两个峰位在399.75eV和401.86eV，分别对应吡咯型N和吡啶N—O。吡啶N—O主要来源于土壤中广泛存在的硝酸盐和亚硝酸盐，吡咯型N可能源于代谢过程产生的有机态氮。N的加入使GO表面和边缘的官能团进行了重新排布，所以GO会与土壤中的物质发生相互作用，自身的结构也会发生一定的变化。

图6-4　土壤中GO的XPS光谱

Xiong等研究了GO对Cd污染的土壤中微生物群落的影响。实验中土壤所含的GO浓度分别为0g/kg、1g/kg和2g/kg，处理时间为60d。为探究GO对微生物群落的影响，研究者测试了土壤中的酶活性和微生物群落结构等几个与微生物群落相关的参数。结果表明，微生物群落的结构发生了变化。主要的微生物门类（如酸杆菌门、放线菌门）的相对丰度有所增加，这可能是因为GO的存在减弱了土壤中Cd的毒性。然而GO对一些微生物门类也表现出了不利影响。如GO的处理使WD272和TM6的相对丰度有所下降；微生物群落的多样性受到了一定的限制；同时一些与碳和氮循环有关的功能性微生物也受到了影响，因此GO和Cd共存时会影响土壤中的营养循环。(www.xing528.com)

以上研究表明，GO的引入会使土壤中的微生物群落丰度稍有增加，而其对土壤微生物的影响随着时间的增加而逐渐变弱，长期的GO处理几乎不会对土壤微生物群落的组成结构产生影响。但研究仅限于非种植条件。土壤中种植植物后，土壤微生物群落结构会发生变化，植物根系分泌物会使根际土中的微生物群落结构异于其他位置的土壤。为探究GO的加入是否会对植物根际土中的微生物群落产生影响，Hongwei Zhu小组分析了不同浓度GO土培水稻的根际土中微生物群落的组成结构。

在具体操作中，向土壤中分别加入不同浓度的GO水溶液，使土壤中GO的浓度分别为0g/kg、0.1g/kg、1g/kg和3g/kg（GO0、GO0.1、GO1、GO3），在土壤中进行水稻种植。取GO0组、GO0.1组、GO1组和GO3组中种植30d的水稻的根际土进行DNA提取和焦磷酸测序，分析含有不同浓度GO的根际土中微生物群落的组成结构。

对微生物群落的多样性进行分析，Chao指数是反映微生物群落多样性的常见指数，用于估算土壤中所含的OTUs数。四组Chao指数分别为2268（GO0）、2159（GO0.1）、2147（GO1）和2247（GO3）。结果表明，四组Chao指数无明显差异，GO对根际土中微生物的丰度和多样性无显著影响。对微生物的群落结构进行分析，图6-5为四组根际土中各微生物在门类水平上的相对丰度。结果表明，四组根际土中的主要微生物门种类（含量大于1.3％）相同，分别为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、蓝细菌门（Cyanobacteria）、绿屈挠菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、放线菌门（Actinobacteria）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes），且以上9种微生物量之和分别占各组根际土微生物总量的95.8％（GO0）、96.4％（GO0.1）、96.6％（GO1）和96.9％（GO3），这说明GO对根际土微生物群落的种类构成无显著影响。

图6-5　含有不同浓度GO（0g/kg、0.1g/kg、1g/kg、3g/kg）的根际土中各微生物在门类水平上的相对丰度

从整个生态系统的角度出发，GO对微生物群落的影响对环境的利害关系目前尚不清楚，仍然需要更加深入而系统的研究，并需要结合土壤学及植物学等相关学科建立一个完善的体系对其影响进行评估。