锑污染对稻田土壤细菌群落和功能的影响研究

来源 :贵州师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunjian
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锑(Antimony,Sb)作为一种生物非必需的有毒重金属元素,被美国环保总局和欧盟列为优先污染物。我国拥有世界上最丰富的锑资源又是主要生产国,其产量占全球锑产量的53%。而贵州的锑储备量占全国的10.2%,锑矿周边环境介质中锑含量远高于背景值。锑的选矿废石、开采和冶炼废渣由于地表径流、生物、大气等因素共同作用,使锑释放到周围表生环境中。先前有研究发现,重金属污染极易影响土壤微生物群落分布、组成和丰富度。尽管锑毒性较高,但是微生物仍然能通过富集、外排、甲基化及氧化还原的生物化学过程来降低锑污染对周边生态环境的影响。稻田土壤锑的地球化学行为及微生物对于锑污染的适应机制是微生物生态修复的关键。另外,蚯蚓作为土壤生态功能中最主要的无脊椎动物,被广泛应用于土壤生态系统的金属污染监测。蚯蚓的取食和蚓粪的外排对稻田土壤微生物也存在较大的影响,然而目前对相关研究还较少。为探明锑污染下稻田土壤、蚯蚓肠道细菌群落及生态功能,以及理化因子、微生物群落以及生态功能之间的关系。本研究选取了贵州省半坡锑矿采冶区周边稻田土壤为研究对象,研究了稻田土壤剖面、不同污染程度以及蚯蚓肠道内锑组分的分布特征,微生物群落结构以及生态功能与其组分间的关系。揭示微生物对锑污染组分的响应机制。并得到了以下结论:(1)稻田剖面土壤Sb和As来源不同,Sb主要来源于大气沉降或人为投放。Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)浓度随土层深度的增加而减少,Sbaec和Sboxz浓度随土层深度的增加而增加,Sbrec浓度随土层深度的增加而基本保持不变;而As相关污染部分中,除As(Ⅲ)浓度随土层增加而减少外,其他污染部分的浓度则随着土层的增加基本保持不变。不同锑污染程度下,Sbtot和Sb不同组分含量均随着污染程度的增加而增加,Sbtot和Sb(V)在各组间存在显著差异(ANOVA,P0.05),在其他各组间存在显著差异。蚯蚓肠道微生物群介导Sb的生物迁移转化可影响Sb的生物利用度和微生物群落结构。Sb(III)是蚯蚓肠道内容物的主要组分,而Sb(V)则主要存在于周边土壤中。(2)Sb和As相关污染部分浓度较低对各土层细菌多样性影响较小。Chloroflexi和Proteobacteria为SL1(水耕熟化层,0-30cm)、SL2(犁底层,30-65cm)和SL3(渗育层,65-100cm)的主要优势菌门。LEf Se分析表明,不同分类群在不同土层富集,且显著性阈值>3.0的差异指示种数量SL1>SL3>SL2。RDA分析和相对重要性分析发现,Sbrec,Asrec和Astot相对于其他污染部分对门分类水平细菌群落影响更大,Asace对Chloroflexi造成的负面影响较大,Proteobacteria受As相关污染部分的影响较大,而Sbrec对Proteobacteria呈负面影响。Tax4Fun2预测发现,稻田剖面土壤应对Sb和As污染等环境变化时恢复能力SL1>SL2>SL3。RDA分析、相对重要性分析和共生网络分析表明,环境因子和细菌群落结构对Sb和As相关细菌功能均有影响。如ACR3受Sbrec、Sbtot和Asrec的影响较大,而Anaeromyxobacter与砷酸还原酶(ars C、ars C1和ars C2)均呈负相关。此外,偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析表明,As相关污染部分对细菌群落结构的直接影响大于Sb相关污染部分,而Sb相关污染部分对细菌功能的直接影响则大于As相关污染部分。Sb和As相关污染部分对细菌功能呈正面影响,细菌群落结构对细菌功能呈正面影响,且环境因子对细菌功能的直接影响大于细菌群落结构。(3)不同锑污染程度下,多样性指数随着Sb污染浓度的增加而增加,在S200组达到最大值,在对照组(SC)达到最小值。相对重要性分析发现,Sb(III)和Sbsrp是影响细菌群落多样性指数的主要Sb组分。主坐标分析(PCo A)发现,对照组细菌群落与不同Sb污染土壤群落间存在显著差异。差异性分析发现,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是不同Sb污染土壤细菌主要的优势菌门,且富集分离情况较其他优势菌门更大。静态贝叶斯网络推理发现,Sbtot通过影响鞘氨醇单胞菌科(Sphingomonadaceae),Sbsrp通过影响伯克氏菌科、Xanthomonadaceae和Acidobacteriale纲来进一步影响土壤细菌群落,而Sb(V)则主要是受Flavobacteriaceae、红螺菌科(Rhodopirillaceae)以及Acidobacteriale纲的影响。(4)蚯蚓肠道微生物群介导Sb的生物迁移转化可影响Sb的生物利用度和微生物群落结构。Sb(III)是蚯蚓肠道内容物的主要组分,而Sb(V)则主要存在于周边土壤中。蚯蚓肠道和周边土壤细菌ace、chao1、shannon和simpson存在差异,但差异均未达到显著水平,且均表现为土壤菌群大于肠道内容物菌群,如SC>GC,S100>G100。另外,放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)在蚯蚓肠道内容物和周边稻田土壤中存在显著性差异。其中,红螺菌科(Rhodopirillaceae,10.15%)、梭菌科(Clostridiaceae,6.53%)、黄色杆菌科(Xanthobacteraceae,4.78%)以及分枝杆菌科(Mycobacteriaceae,3.56%)是蚯蚓肠道内容物细菌群落结构中最丰富的物种,而在周边土壤细菌群落结构中分别只占到了2.28%,0.65%,2.46%和0.70%。蚯蚓肠道内容物和周边土壤细菌主要参与Sb(V)还原和Sb的迁移转运过程,而Sb(III)氧化过程的功能基因在肠道和土壤中丰度均较低。综上所述,暴露于Sb胁迫环境中,Sb不同组分会扰乱赤子爱胜蚓肠道细菌群落结构。
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