导读
纳米颗粒（NP）广泛分布在地球表层系统的各个圈层。除地球上存在的各种自然过程产生的天然NP外，随着人类活动的加剧，很多工程/次生NP不断被排放到环境中。一旦进入环境，NP将会发生一系列的迁移和转化，这将对生态系统带来潜在的健康风险。微生物介导的地球化学过程是整个地球物质循环的重要组成部分，例如，硫酸盐还原菌（SRB）广泛分布在湿地环境中，能够将环境中游离的金属离子沉淀为硫化物颗粒。传统意义上，人们认为SRB可以“固定”有毒金属。然而，微生物产生的很多硫化物为纳米级，仍可能具有较强的生物累积效应。河口潮滩作为海洋和陆地的交汇地带，是众多污染物（包括NP）的“汇”，也是地球各大圈层之间物质循环和能量流动的重要场所。其中，潮滩植物在金属和金属NP的循环过程中起着重要作用。因此，华东师大地科院牛作顺博士聚焦河口潮滩环境，围绕“SRB-NP-植物”这一系统开展了系列研究，取得了以下成果。
1. SRB可“固定”有毒金属，影响植物对金属的累积
SRB在全球硫和碳循环以及有毒类金属/金属的生物修复中发挥着重要作用，但是目前对大陆尺度上SRB的群落结构及其人为/自然因子的了解较少。因此，对中国潮滩沉积物中SRB群落及其影响因子进行了全面的调查。结果表明（图1），SRB群落结构以Desulfobulbus为主导，并且在中国沿海地区表现出明显的随纬度变化的空间分布格局。结构方程模型（SEM）分析发现，中国潮滩沉积物中SRB群落结构的差异可归因于人类活动（如人口、经济和农业）和自然因素（如盐度、pH和气候参数）的综合影响。重要的是，人类活动可以直接或间接通过影响潮滩沉积物中的金属浓度来调控SRB群落。
藨草是长江口区域的优势物种之一，是湿地物质循环的主要的参与者，具有重要的生态功能。研究发现，藨草根系沉积物中SRB的丰度显著高于非根系沉积物。相关性分析表明在根系沉积物中大多数金属和硫化物及SRB丰度呈显著正相关（P < 0.05），这说明在根系沉积物中大部分金属可能以硫化物或伴生硫化物的形式存在，并受到SRB的调控。传统意义上讲，在藨草根系沉积物中SRB可能会“固定”有毒金属。但是，这些SRB成因的金属硫化物颗粒通常具有较小的粒径（纳米级），仍存在被植物吸收的可能。
图1 中国潮滩沉积物中SRB的分布及其影响因子
2.潮滩植物茎和根组织对不同形态Ag-NPs的累积分别受盐度和SRB的调控
为了进一步理解NP在潮滩环境中的转化、植物累积过程及其环境因子，以Ag0-NPs为例，通过构建河口潮滩环境中宇宙，模拟半日潮将10 μg/L的Ag0-NPs/Ag+暴露于潮水、沉积物和植物（藨草），调查了Ag-NPs在中宇宙不同介质中的分布。结合透射电镜（TEM）、选择性溶解方法和单颗粒（SP）ICP-MS技术，分析了不同形态Ag-NPs的颗粒数浓度（PNC）和粒径。结果发现，暴露30天后，潮水中超过50%的Ag0-NPs被溶解为Ag+，大约1/4的Ag+则被转化为Ag0-/AgCl-NPs。暴露于Ag0-NPs的植物茎中的Ag-NPs以Ag0为主，而暴露于Ag+的茎中则产生了更多的Ag2S-NPs。在根部，Ag0-NPs和Ag+处理组分别有71%和51%的Ag-NPs以Ag2S的形态存在。植物茎组织对Ag-NPs的富集程度显著高于根组织（P < 0.05），而且茎组织中超过98%的Ag-NPs来源于潮水（图2）。基于随机森林和SEM分析，盐度可通过影响潮水中AgCl-NPs的赋存进而间接调控潮水中Ag0-NPs的PNC，并进一步影响植物茎对Ag-NPs的累积。此外，在植物根系沉积物中，SRB的增加会引起Ag2S-NPs的增加，从而促进植物根组织对Ag-NPs的累积（图3）。本研究结果为阐明河口植物对NP的累积途径提供了新的重要见解。
图2 河口植物藨草对Ag-NPs累积途径
图3 随机森林和结构方程模型分析影响潮滩植物吸收Ag-NPs的环境因子。A和C：植物茎组织；B和D：植物根组织
3. SRB能够通过将Ag0-NPs转化为粒径更小的Ag2S-NPs，进而增强植物对Ag的累积
前面研究发现SRB可以通过影响Ag2S-NPs的PNC，从而间接促进植物根组织对Ag-NPs的累积。为了揭示其中的作用机制，通过室内模拟实验探究了SRB对Ag0-NPs在潮滩环境中转化和植物吸收过程的影响。结果发现虽然SRB的存在可以使植物在暴露于Ag+过程中对总Ag含量的吸收减少37%，但它却可以显著提高植物在Ag0-NPs暴露过程中对总Ag的累积。SP-ICP-MS分析表明，当植物暴露于Ag0-NPs时，有SRB的处理组比无SRB的处理组植物体内的Ag-NPs平均粒径更小、颗粒数浓度更高。透射电镜（TEM）分析发现，在SRB作用下，培养液中原始Ag0-NPs的附近形成了粒径小于10 nm的SRB成因的次生Ag2S-NPs（图4）。这些NPs很可能是通过溶解-扩散-硫化的过程从母体Ag0-NPs中产生。此外，在有/无SRB的情况下，植物对不同尺寸（即20、40和80 nm）Ag0-NPs的吸收结果为NPs粒径越小，植物越容易吸收。而且对于3个粒径来说，有SRB的处理组中植物对总Ag的累积都要高于无SRB的处理组。因此，我们得出结论，SRB能够通过将Ag0-NPs转化为粒径更小的Ag2S-NPs，进而促进藨草对总Ag的累积。该研究指出了水环境、细菌、植物和不稳定NP之间复杂的耦合关系的重要性。
图4 SRB对Ag0-NPs植物累积效应的影响机制
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作者简介
第一作者
牛作顺，华东师范大学地理科学学院杨毅教授团队博士后、助理研究员，主要从事工程纳米材料的环境行为、不同来源（人为源和自然源）磁铁矿纳米颗粒物指纹分析等方面的研究，获得中国博士后科学基金和国家自然科学基金青年科学基金的资助。
E-mail：zsniu@geo.ecnu.edu.cn
通讯作者
杨毅，华东师范大学地理科学学院教授、博士生导师。研究方向为天然环境中纳米颗粒物的鉴别、行为和环境意义；新型污染物的生物地球化学行为；环境中纳米颗粒物与其他污染物的作用机理及其生物有效性等。主持国家自然基金杰出青年项目、国家自然基金优秀青年项目等。
E-mail: yyang@geo.ecnu.edu.cn
