随着工业化、农业化、城市化进程的快速提升,大量的重金属、有机污染物排放到环境中,对生态环境和人体健康构成严重威胁。在重金属和有机物复合污染土壤的修复中,植物与微生物联合修复技术显示出了很大优势。其中,复合污染土壤修复过程中,如何确保植物和微生物在重金属毒害下正常发挥作用显得十分重要。一些植物对重金属具有较强的耐受性,可以保护根际微生物免受重金属毒害,该特点有望为根际微生物在有机污染物的生物降解方面提供保障。海州香薷作为我国本土重金属耐性植物,在重金属污染土壤修复方面有较大潜力,但是其根际微生物在重金属修复及有机物降解方面的研究甚少涉及。本文采用盆栽实验结合野外采样的方式,选取有机污染物修复的模式植物黑麦草为对照,系统研究了海州香薷根际微生物的群落结构特征及其可能的耐铜机制;利用稳定性同位素探针技术(SIP)研究了海州香薷根际环境对有机污染物降解的功能微生物组成的影响、并揭示了其降解机理,为海州香薷在复合污染土壤治理中的应用提供了参考依据。主要结果如下:采用人工合成的不同浓度铜(0、500、1000、1500 mg/kg)与菲和多氯联苯(PCB-28)的复合污染土壤,开展盆栽试验,发现铜浓度≥ 500mg/kg,海州香薷叶片变为紫红色,株高降低,根系变短,但即使铜浓度达到1500 mg/kg,其株高依旧能够保持未添加铜对照的65.54%。相应地,对于黑麦草,当铜浓度≥500 mg/kg时,植株枯黄、矮化,当铜浓度达到1500 mg/kg时,株高不足未添加铜对照的30%,说明海州香薷对铜的耐受性显著高于黑麦草。在未添加铜的对照处理中,海州香薷与黑麦草地上部丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的含量无显著差异(p<0.05);当铜浓度为1500 mg/kg时,海州香薷体内以上4种指标的含量分别为黑麦草的13.3%、74.8%、81.5%、73.3%,推测海州香薷受氧化胁迫弱于黑麦草。采用二代测序方法研究了海州香薷根际微生物群落特征。我们在根际鉴定出了 51个门的微生物,其中丰度超过1%的9个主要门的微生物分别为Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Planctomycetes、Verrucomicrobia.Chloroflexi、Cyanobacteria、Bacteroidetes 和 Chlamydiae。其中 Actinobacteria、Cyanobacteria 和Bacteroidetes三个门微生物的丰度在海州香薷的根际显著不同于空白对照(p<0.05)。与黑麦草相比,只有Bacteroidetes的丰度在海州香薷根际显著高于黑麦草,该门具有较强的重金属抗性,可能影响到海州香薷的耐铜能力。在97%OTU水平,高浓度铜(≥1000 mg/kg)土壤中有19个丰度大于1‰的OTUs在海州香薷根际的丰度显著高于(>2倍;p<0.05)黑麦草根际和空白对照,其中5个OTUs在低浓度(≤500 mg/kg)铜土壤中,海州香薷根际的丰度仍显著高于黑麦草根际和空白对照,这5个OTUs的含量差异可能是由于植物种类不同导致的,且与铜浓度无关,可能与海州香薷耐铜性有关。除海州香薷根际外,在所有土壤微生物群落中,铜是影响其结构最主要的因子,铜浓度对海州香薷根际微生物群落的解释百分比(12.6%)显著小于黑麦草根际(17.9%)和对照土壤(18.3%)。微生物内部的生态网络结构能揭示微生物间的相互关系,模块性越高,说明关系越稳定。研究发现,整体上,铜浓度从0升至1500 mg/kg时,模块性指数降低了 16.1%;而海州香薷根际微生物群落模块性指数比空白对照高出了24.8%。此外,1500mg/kg铜导致黑麦草根际与空白土壤微生物数量分别降低了 34.9%和35.1%,而海州香薷根际微生物数量仅降低了 10.2%。以上结果均说明海州香薷对根际微生物具有保护作用。收集海州香薷的根际土壤,利用SIP技术,研究了参与菲和PCBs降解的功能微生物,获得了 41个与菲降解有关的OTUs和3个与联苯降解有关的OTUs。其中,在根际土壤仅有10种细菌的平均丰度大于万分之一。与空白对照相比,低铜土壤中(≤500 mg/kg),海州香薷根际降解功能微生物的丰度无显著差异,编号为707290的细菌(Family:Xanthomonadaceae)在黑麦草根际显著降低。高铜土壤中(≥ 1000mg/kg),两种降解功能微生物的丰度在海州香薷根际显著高于对照,在黑麦草根际无显著改变(p<0.05)。同时,通过微生物群落数据预测了土壤中可能的有机污染物降解基因。发现铜浓度≤500 mg/kg时,海州香薷与黑麦草根际样品中降解基因丰度与空白对照无显著性差异;铜浓度≥1000 mg/kg时,两种植物根际微生物中降解基因丰度都发生了显著变化(p<0.05),海州香薷根际微生物中多数降解基因丰度升高,黑麦草根际多类降解基因的丰度显著降低。此外,在高铜浓度土壤中,海州香薷根际菲和PCB-28的降解率高于黑麦草,由此推测,高铜浓度下,海州香薷比黑麦草具有更强的有机污染修复能力。为探索野外自然条件下海州香薷根际微生物群落状况,我们采集了南京汤山、安徽铜陵、浙江诸暨3个铜矿区21个海州香薷根际土壤样品,通过分析,共得到47个门的微生物,其中11个主要门的微生物平均丰度大于1%,分别为Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、Verrucomicrobia、Acidobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Cyanobacteria、Firmicutes、Gemmatimonadetes 和 TM7,其中Bacteroidetes含量为6.4%。盆栽实验中特异性富集于海州香薷根际的5个OTUs中有4个OTUs在野外海州香薷根际依然存在,且铜浓度对其丰度无显著影响(p<0.05),推测海州香薷根际耐铜相关微生物不仅具有植物品种特异性,还与土壤本身有关。分析土壤理化因子与主要门类微生物的关系发现,总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总铜、交换态铜、TOC/TN、pH均能影响微生物的丰度(p<0.05)。与盆栽实验不同,铜浓度不再是根际微生物群落的因子,推测海州香薷降低了根际铜离子的活性,且可能在长期演化过程中根际微生物群落适应了高浓度的铜污染。综上所述,海州香薷根际微生物群落对铜具有更强的耐性,更有利于其在铜污染环境下存活;同时,海州香薷根际微生物中拥有更多的有机物降解菌和降解基因,在复合污染土壤修复方面具有一定的潜力。