近年來關(guān)于金屬氧化物納米顆粒(MNPs)在水生生態(tài)系統(tǒng)中的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境關(guān)注正在增加。沉積物被認(rèn)為是這些MNPs的沉降物。雖然此前已有多項(xiàng)研究研究了MNPs對淡水沉積物和河口沉積物微生物群落的潛在影響，但是關(guān)于MNPs對表層沉積物微生物群落代謝活性的影響及相關(guān)生物地球化學(xué)條件的信息有限。為了更好的解決這些技術(shù)問題，研究人員試圖建立了一種微觀世界的方法，通過利用氧微電極、酶活性測量和高通量測序研究表層沉積物中TiO2或CeO2 NPs(5 mg/L)單次添加對微生物群落的代謝響應(yīng)。研究探索MNPs對底棲微生物群落的代謝活動(dòng)的相關(guān)影響，討論其在影響沿沉積-水界面的生物地球化學(xué)功能方面的應(yīng)用。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

微型沉積物中的溶氧剖面濃度采用了尖端直徑為100um的微電極進(jìn)行測試，其中氧電極的矯正采用了標(biāo)準(zhǔn)方法校準(zhǔn)，即采用了兩點(diǎn)矯正法獲取了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。沉積物中的氧剖面測量在20攝氏度，沉積物的上覆水中的O2濃度在一個(gè)穩(wěn)定的飽和濃度。測試沉積物樣品中隨機(jī)測量微觀世界的沉積物剖面濃度，用于評估空間異構(gòu)性問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：研究發(fā)現(xiàn)在淡水樣品中觀察到金屬氧化物納米顆粒MNPs(無論NP型如何)的快速沉積，大多數(shù)(高達(dá)85%)是在表層沉積物(小于5mm)中積累。MNPs處理后的預(yù)培養(yǎng)沉淀物的微電極剖面測量結(jié)果表明，隨著沉淀物深度的增加，與未經(jīng)治療的對照組相比，氧濃度降低的速度較慢。從穩(wěn)態(tài)微廓線計(jì)算可以看出MNPs顯著抑制了最上層沉積物的生物耗氧量，CeO2（NPs）的急性毒性明顯強(qiáng)于TiO2（NPs）。高通量測序?qū)嶒?yàn)表明，無論NP是呈現(xiàn)哪種型態(tài)，MNP的暴露均會(huì)增加細(xì)菌多樣性，改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。MNPs顯著降低了三種優(yōu)勢菌屬:甲氧菌屬、未培養(yǎng)的細(xì)胞hagceae_uncultivation(好氧細(xì)菌分類)和Cyanobacteria_norank(兼性細(xì)菌)的豐度，MNPs主要負(fù)責(zé)抑制微生物介導(dǎo)的表層沉積物耗氧量。

圖1、a表示的是本論文研究的采樣點(diǎn)示意圖。太湖竹山灣(31.3794 N,120.0249 E)圖中的星號(hào)標(biāo)記(紅色)表示的是此論文研究獲取的沉積物和上覆水體的采樣點(diǎn)；圖b表示的是基于微電極的測量小型沉積物中的氧濃度剖面實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖c表示的是沉積物-水界面附近溶氧濃度（DO濃度）的二維等高線圖，兩個(gè)測試點(diǎn)之間的相對距離為5mm，沉積物/大體積的水相的界面深度0μm。

圖2、在SWI上添加的氧化納米顆粒(MNPs)之前和添加氧化納米顆粒(MNPs)到采集到的沉淀物系統(tǒng)之后對應(yīng)的氧濃度變化情況，其中沉積物和上覆水取自于太湖竹山灣，樣品穩(wěn)定3周。圖(a)表示的是沒有添加MNP的微生態(tài)系統(tǒng)氧濃度分布情況;(b)TiO2添加后沉積物微生態(tài)系統(tǒng)氧濃度分布情況；(c)添加CeO2后沉積物微生態(tài)系統(tǒng)氧濃度分布情況。在不同的時(shí)間間隔測量O2濃度剖面分布情況。從圖b及圖c可以看出，沉積物體系中加入金屬氧化納米顆粒后會(huì)表現(xiàn)出，沉積物中的氧濃度變化幅度較小，這說明金屬氧化納米顆粒的加入降低了沉積物中的氧的消耗速率。

圖3、經(jīng)過熱壓處理過的SWI沉積物中添加金屬氧化納米顆粒(MNPs)進(jìn)行處理之前和之后對應(yīng)的沉積物中氧濃度剖面分布情況。沉積物和上覆水在120攝氏度溫度下連續(xù)蒸3次，每次15分鐘，然后經(jīng)過24小時(shí)冷卻至室溫（20±1 c）。圖(a)表示的是沉積物中加入TiO2處理后，沉積物中對應(yīng)的氧濃度分布情況;圖(b)表示的是CeO2處理后，沉積物中對應(yīng)的氧濃度分布情況。O2剖面濃度分布是在不同的時(shí)間內(nèi)測量完成的。

圖4、圖a表示的是對比照的微形態(tài)沉積物中氧的耗氧量分布情況；圖b表示的是nTiO2處理過的沉積物中的氧的耗氧量分布情況；圖c表示的是加入納米CeO2處理過的沉積物中的氧的耗氧量分布情況。所用使用的沉積物從中國太湖竹山灣采集的樣本，其中沉積物樣本都是經(jīng)過3周的時(shí)間穩(wěn)定后進(jìn)行相關(guān)測試的。其中圖中的□和圖中相應(yīng)的實(shí)線曲線代表的是未加入金屬氧化納米顆粒處理的沉積物中的氧的濃度分布及氧的消耗情況；◇和對應(yīng)的黑色曲線代表的是加入金屬氧化納米顆粒后沉積物氧的濃度分布及氧的消耗情況。

圖5、(a)所有的沉積物樣總?cè)郝鋬?yōu)勢菌門的相對豐度品。沉積物樣品采集自中國太湖竹山灣，沉積物樣品穩(wěn)定3周后，加入納米顆粒(TiO2和CeO2)對樣品進(jìn)行處理，高通量測序法估計(jì)細(xì)菌門優(yōu)勢。測試過程是一個(gè)樣品測試三次。圖(b)表示的是基于門豐度數(shù)據(jù)集的采用成分分析(PCA)法獲得的沉積物中微生物群落分布。

總結(jié)：本論文主要研究基于對于水下表層沉積物中的微生物群落代謝活動(dòng)的影響。研究人員使用unisense公司開發(fā)的溶氧微電極和高通量測序分析儀，全面分析了金屬氧化物納米顆粒（MNPs）對淡水沉積物中微生物群落代謝活性的影響。Unisense微電極技術(shù)中使用的氧微電極的尖端直徑細(xì)，能夠準(zhǔn)確的測試出沉積物中不同區(qū)域位置處的氧濃度剖面分布情況，并通過能夠檢測出沉積物中加入金屬氧化納米顆粒后的沉積物中的氧氣濃度值的細(xì)微區(qū)別，從而為研究人員提出了金屬氧化納米顆粒對于微生物代謝的影響的機(jī)制。unisense微電極具有響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn)為研究人員建立了一種微觀世界的方法，通過利用氧微電極研究表層沉積物中TiO2或CeO2 NPs(5 mg/L)單次添加對微生物群落的代謝響應(yīng)。這說明unisense微電極在研究關(guān)于金屬氧化納米顆粒對淡水沉積物體系中的微生物群落代謝方面存在很好的應(yīng)用前景。