微生物在重金属复合污染耕地土壤的变化特征及驱动机制研究

来源 :广西大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:houguangyun1981
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由于工业化、城镇化的快速发展,土壤重金属污染已成为我国重要环境问题,严重威胁着土壤生产力、农产品安全以及人体健康。微生物作为土壤生态系统中最活跃、最敏感的指标,在促进土壤质量和植物健康方面发挥着重要的作用。一旦土壤受到重金属污染,不仅会导致微生物群落结构的变化,还会影响到土壤生态系统的功能多样性和多种生物化学过程。为了更好地了解土壤健康状况以及重金属污染与微生物群落间的相互关系,本研究以广西大厂矿区下游典型重金属复合污染耕地为研究对象,采用高通量测序技术,分析微生物多样性、群落结构组成及功能,阐明微生物与重金属的相互作用及机理,为污染耕地土壤环境质量评价和修复提供依据。(1)研究区主要受到了Sb、Cd、As、Zn、Pb五种重金属污染元素的复合污染,其平均含量分别为451.09、7.77、247.96、1182.41、954.35 mg·kg-1,分别有100%、100%、97.5%、80%、75%的点位超过了我国农用地土壤管控标准中的风险筛选值。潜在生态风险评价结果表明研究区耕地土壤总体呈极强生态风险,其中Sb和Cd对其贡献率最高,分别为71.52%、23.02%。从空间分布来看,Cd、Zn含量空间分布一致,在西北部和中部有两个明显的高值区;而As、Sb、Pb含量空间分布一致,自西南向东北降低。从土地利用类型来看,重金属As、Pb、Sb含量均表现为旱地大于水田,分别是水田的1.47、2.03、1.88倍;而Zn、Cd含量均表现为水田大于旱地,分别是旱地的1.32、1.13倍。源解析表明重金属Sb、Pb、As污染主要来源于人类矿业活动的输入,而Cd、Zn污染是人类矿业活动输入和自然因素综合作用的结果。土壤重金属污染的同时,也带来土壤的酸污染,从而导致土壤重金属有效态含量变异增强。Cd、Pb、Zn三种有效态重金属的变异程度与对应的全量相比,均表现为明显增大。无论水田还是旱地,有效态Cd、Pb、Zn含量均与重金属As、Sb、Pb全量以及pH呈显著相关性,其空间分布格局相似。有效态Zn、Cd、Pb含量在旱地土壤中的平均含量明显高于水田,分别为水田的3.75、1.96、4.25倍;而有效态Sb含量表现为水田大于旱地。(2)重金属复合污染水田土壤中,细菌群落的优势门为变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),平均丰度之和为80.73%;未定名酸杆菌纲(norank_c_Acidobacteria)、厌氧绳菌目(Anaerolineales)和根瘤菌目(Rhizobiales)为优势菌目,平均丰度分别为10.38%、10.09%和5.00%。真菌群落中,子囊菌门(Ascomycota)是绝对的优势门,平均丰度为77.20%;群落优势目为肉座菌目(Hypocreales)、粪壳菌目(Sordariales)、未分类真菌(unclassified_k_Fungi)和未分类子囊菌门(unclassified_p_Ascomycota),平均丰度分别为31.48%、12.91%、10.71%和10.04%。重金属As、Sb、Pb以及有效态Cd、Zn污染对水田微生物群落结构和多样性影响较大,而细菌绿弯菌目(Chloroflexales)、芽单胞菌目(Gemmatimonadales)、粘球菌目(Myxococcales)、索利氏菌目(Solibacterales)、Subgroup_7以及真菌伞菌目(Agaricales)对其有较强的耐性。细菌酸微菌目(Acidimicrobiales)、盖勒氏菌目(Gaiellales)、norank_c_S085、土壤红杆菌目(Solirubrobacterales)可能减少稻米中Cd的富集,而芽单胞菌目、粘球菌目、索利氏菌目以及真菌隐真菌门(Rozellomycota)可降低稻米As的富集。(3)重金属复合污染旱地土壤中,变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门和放线菌门也是最优势的细菌门,平均丰度之和为76.78%;优势菌目为未定名酸杆菌纲、根瘤菌目、芽孢杆菌目(Bacillales)、厌氧绳菌目,平均丰度分别为9.09%、6.84%、5.75%和5.19%。真菌群落中,子囊菌门的平均丰度最高,为63.35%;肉座菌目、被孢菌目(Mortierellales)为优势真菌目,平均丰度分别为29.81%和18.68%。重金属有效态Cd、Pb、Zn对旱地微生物群落结构和多样性影响较大,而细菌酸杆菌目(Acidobacteriales)、芽单胞菌目、JG30-KF-AS9、纤线杆菌目(Ktedonobacterales)、粘球菌目、浮霉菌目(Planctomycetales)、索利氏菌目、Subgroup_7以及真菌银耳目(Tremellales)对其有较强的耐性。pH和有机质等理化性质在调节微生物对重金属污染的适应中发挥重要作用。(4)水田和旱地中的微生物多样性和群落结构均存在显著差异。旱地和水田共有的细菌OTU数目占比82.19%,而真菌仅47.65%。细菌厌氧绳菌目、粘球菌目、norank_c_KD4_96、norank_c_SBR2076、43F-1404R、除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)、酸性铁菌目(Acidiferrobacterales)、norank_c_Subgroup_7以及真菌未分类子囊菌门、未分类粪壳菌目、未分类伞菌纲和伞菌目等在水田土壤中明显富集。而细菌芽孢杆菌目、根瘤菌目、红螺菌目(Rhodospirillales)、微单胞菌目(Micromonosporales)、硫还原菌目(Desulfurellales)以及真菌被孢霉目(Mortierellales)、银耳目、炭角菌目(Xylariales)和未分类座囊菌纲(unclassified_c_Dothideomycetes)等在旱地土壤中明显富集。(5)重金属复合污染耕地土壤共发现来自6类代谢通路的41个子功能类群,碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)、氨基酸代谢(Amino acid metabolism)、膜运输(membrane transport)是细菌群落中主要的代谢功能。重金属污染是驱动细菌代谢功能变化的主要因子,旱地土壤细菌的重金属抗性功能为多糖的生物合成和代谢(Glycan biosynthesis and metabolism)、细胞的运动性(Cell motility)和次级代谢物的生物合成(Biosynthesis of other secondary metabolites),其与大多数重金属指标呈显著正相关;而Cd、Zn是影响水田土壤细菌代谢功能的主要元素,其主要抗性功能为氨基酸代谢(Amino acid metabolism)、外源性生物降解与代谢(Xenobiotics biodegradation and metabolism)、类脂物代谢(Lipid metabolism)和次生代谢物的生物合成(Biosynthesis of other secondary metabolites)。重金属复合污染耕地土壤真菌群落可归类于8个生态功能群,其在旱地和水田土壤中的平均丰度差异较大,旱地土壤中真菌未定义(Unassigned)生态功能群的占比为19.83%,而水田土壤中达42.82%。旱地土壤真菌优势生态功能群为腐生菌群(Saprotroph 27.65%)、病理寄生-腐生-共生菌群(Pathotroph-Saprotroph-Symbiotroph 26.83%)、病理寄生-共生菌群(Pathotroph-Symbiotroph 17.65%);而水田土壤中真菌优势生态功能为腐生菌群(29.46%)和病理寄生-腐生-共生菌群(18.21%)。旱地和水田中各生态功能群变异程度均较大,且各生态功能群对土壤环境因子响应不同,土壤理化性质的影响大于重金属。水田病理寄生-腐生-共生菌群对重金属Cd和Zn有较强耐性;而旱地共生菌群与重金属有效态含量呈显著正相关。
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