云南建水露天铅锌矿区狗牙根的根际微生物多样性及其联合修复效应

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矿区内肆意堆积的山样低品位废弃矿渣堆,随着长时间的风雨侵蚀作用,对毗邻的生态环境造成了持续性污染和破坏,使得废弃矿渣堆成为矿区中主要的污染源。植被恢复可以有效地限制重金属扩散和促进矿区生态恢复,但由于废弃矿渣堆大多地势高陡,土壤持水性差、土壤结构和营养元素不合理等的制约,目前用于矿区废地陡坡修复的物种匮乏。实验室野外调查发现,云南建水露天铅锌矿废渣堆的陡坡地段自然复垦的狗牙根(Cynodon dactylon)展现出良好的矿区“适地性”,但其复垦的根际效应及其联合修复研究尚未见报道。本研究以云南建水露天铅锌矿废渣堆的陡坡地段自然复垦的狗牙根为研究对象,对狗牙根重金属的富集特征、根际微生物多样性及其联合修复功能等进行了研究,取得以下主要结果和结论:(1)云南建水露天铅锌矿废弃矿渣堆土壤重金属污染严重,其Cd、Zn、Pb的含量分别为4.34±1.03,1836.83±265.47,4105.66±507.48 mg kg-1,在其陡坡地段仅有狗牙根的单优群落自然生长、繁衍,表明其对废弃矿渣堆土壤具有良好的适应性。实验室条件下,比较研究了在单一镉胁迫和复合重金属(Pb,Zn,Cd)矿区污染土壤胁迫下,矿区和非矿区来源两种狗牙根对重金属胁迫的响应,发现无论是高浓度的复合重金属胁迫还是单一Cd胁迫,矿区和非矿区来源狗牙根均生长良好,无明显中毒症状,两种来源狗牙根的生物量并没有显著差异,表明狗牙根具良好的重金属抗性特征。(2)对比其重金属富集特征的研究发现,两种来源的狗牙根根系均有较强的重金属富集能力,但二者并没有显著性差异;在尾矿区复合重金属污染土壤,狗牙根根系Pb,Zn,Cd富集量最高可达1399.30±83.72,4219.39±1129.05,134.74±37.82 mg kg-1,在单一Cd污染水培条件下,其根系Cd富集量最高甚至可达5031.41±682.79 mg kg-1。但其重金属的迁移能力较弱,所有试验处理条件下的狗牙根三种重金属转移系数均小于1。此外,自然复垦狗牙根并不能加速尾矿区土壤污染物的风化过程,其根际土壤DTPA可提取态重金属含量与毗邻的裸地土壤没有显著差异,甚至略有降低了(可提取态Cd和Pb分别降低4.19%和0.01%)。研究表明,狗牙根对重金属具有较强的植物稳定(Phytostabilization)作用。(3)自然复垦的狗牙根显著改善了废矿堆土壤的理化性质和土壤酶活性。与毗邻裸地土壤相比,狗牙根根际土的土壤有机质、全氮、水解性氮和速效钾均显著增加,特别是有机质和速效钾的含量分别是裸地土壤的2.07倍和2.70倍;显著改善了根际土壤的酸性磷酸酶(ACP)、碱性磷酸酶(AKP)、蔗糖酶(SC)和β-葡萄糖苷酶(β-GC)活性,它们分别增加了2.68倍、37.71倍、18.29倍和2.70倍。(4)高通量测序结果表明,狗牙根的定植可以促进根际土壤微生物的多样性、功能的恢复。结合q-PCR结果分析,发现狗牙根定植后,土壤中细菌的多样性、丰度和生物量均显著提高,且在根际土壤中显著增加了具异养型和尿素降解相关细菌的丰度,而显著降低病原真菌的丰度。狗牙根的定植还改变了根际土壤微生物区系的相互作用,使得互作网络更简单,细菌和真菌正相关比例上升;关键种由子囊菌门的Dokmaia属真菌变为枝顶孢属(Acremonium)真菌。环境因子关联分析发现细菌与土壤酶活间呈极显著的正相关关系,而速效钾(a K)是细菌、真菌群落的主要影响因子,其与42%的细菌和34%的真菌(丰度前50)呈显著相关。(5)温室接种实验发现,50 mg kg-1 Cd胁迫处理条件下,狗牙根接种深色有隔内生真菌(DSE)会促进矿区和非污染来源狗牙根根系对重金属Cd的植物固定作用,抑制毒性Cd的地上部分迁移。比如,接种DSE的非矿区来源狗牙根组其根系Cd的富集量甚至高达1433.72±55.25 mg kg-1,是未接种的8.84倍(p<0.0001),而其Cd的转移系数却显著降低了88.82%。综上所述,其极强的矿区土壤适应性和优异的根系富集重金属特性证明了狗牙根是一种适合矿区裸地土壤植被复垦的物种。狗牙根地被物的形成在防止重金属污染物扩散的同时,还可以显著改良土壤理化性质、土壤酶活,恢复土壤微生物区系活性,促进细菌的丰度、多样性和生物量,以此加速土壤生态系统的恢复,为矿区废地次生演替提供了可能;反之,这些恢复的功能微生物如DSE则进一步强化狗牙根根系Cd的植物固定作用,阻止毒性重金属离子向地上部分的迁移、积累,缓解矿区土壤重金属对植物地上部分的胁迫;因此,可作为重金属矿区微生物-狗牙根联合修复的优选菌种。
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