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土壤微生物多样性与抗性对重金属污染的响应研究

陈建文  
【摘要】:重金属污染是21世纪人类面临的主要环境问题之一。土壤中重金属的污染会对微生物群落的丰度和多样性造成极大影响,进而使其生态系统服务功能受损。重金属胁迫条件下,微生物会产生一系列的抗性,这些抗性的遗传基础是重金属抗性基因(MRGs)和抗生素抗性基因(ARGs)。微生物群落结构、功能及抗性的变化可以反映环境重金属的污染状况,是重金属污染区环境健康风险的重要指标。山西省垣曲县十八河铜尾矿库始建于1969年,在尾矿库长期影响下,库区下游土壤也受到了重金属污染。本文首先对长期受重金属污染的铜尾矿坝(TD0)及其周边15年杨树人工林(TD1)、农田(TD2)和10年杨树人工林(TD3)的土壤重金属污染特征及潜在生态风险进行了评估,同时探讨了该区域土壤微生物在此风险水平下的抗性、结构和功能多样性。以此为基础,按照潜在生态风险评估方法,选择不同毒性系数(Toxic Factor,TF)的Cu(TF=5)和Cd(TF=30)为污染物,建立了低(L)、中(M)和高(H)三种生态风险水平的土壤微宇宙,深入探讨了Cu、Cd复合污染下土壤微生物抗性、结构和功能多样性对不同生态风险水平的响应。主要结论如下:(1)铜尾矿库区下游土壤均存在不同程度的重金属污染,不同土地利用方式间潜在生态风险差异显著,其中,15年杨树人工林(TD1)土壤潜在生态风险水平最高,而坝体(TD0)土壤潜在生态风险水平最低。渗流水引起的重金属迁移以及重建植被对重金属的固定可能是这种差异的主要原因。(2)铜尾矿库区下游不同土地利用方式土壤间细菌群落16S r DNA与MRGs差异显著,15年杨树人工林(TD1)的这两个指标显著高于其余样地,而坝体(TD0)最低。MRGs的丰度与土壤中重金属Cd的含量显著正相关,表明具有高毒性系数的Cd在MRGs选择过程中的重要性。MRGs与ARGs的共现性网络表明,铜尾矿库区下游土壤中可能存在重金属对MRGs与ARGs的共选择,存在ARGs污染的风险。(3)铜尾矿库区下游土壤中优势细菌类群为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、芽孢杆菌门(Gemmatimonadetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)。抗性基因与优势细菌群落的潜在宿主分析表明,优势细菌属硝化螺旋菌属(Nitrospira)和MND1可能是pco A、czc D和多种四环素类ARGs的潜在宿主。不同土地利用方式土壤中,细菌群落碳源利用功能多样性差异显著,研究区细菌群落未表现出功能冗余。(4)样地间土壤中真菌群落丰度、结构和功能多样性差异显著。15年杨树人工林(TD1)中真菌群落丰度与物种多样性最高,坝体(TD0)最低。而坝体(TD0)的真菌群落碳源利用功能多样性却不是最低,其显著高于农田(TD2)、10年杨树人工林(TD3)样地。区别于其它碳源,TD0样地的真菌群落对糖苷类碳源的利用强度显著高于其它样地。四个样地的优势真菌类群中,子囊菌门(Ascomycota)在坝体(TD0)真菌群落中相对丰度的占比达到92.92%。样地间真菌群落的结构差异和对不同碳源的选择可能是造成四个样地碳源利用功能多样性差异的主要原因。优势真菌群落与优势细菌群落的网络分析表明,真菌与细菌群落更易在本营养级内部形成稳定的网络。(5)基于室内的不同生态风险水平的微宇宙培养表明,随着生态风险水平的升高,细菌群落的丰度降低,而MRGs的相对丰度逐渐升高。cop A、czc A和czc N基因是微宇宙中主要的MRGs组成。中(M)、高(H)风险水平中,抗Cu基因cop A的相对丰度会在Cu、Cd复合污染的条件下降低,而CZC系列多金属抗性基因的相对丰度会升高,这表明在中(M)、高(H)风险水平,不同的Cu和Cd的比例可能是影响MRGs组成的关键。FCA类多抗生素抗性基因ARGs是低(L)、中风险水平(M)中主要的ARGs组成,而β-内酰胺类的ARGs是高(H)风险水平中主要的ARGs组成;一类整合酶基因int I1的相对丰度在低(L)、中(M)风险水平中最高,而TP614是高(H)风险水平中主要的移动基因元件(MGEs)组成,这意味着不同生态风险水平中,细菌群落MRGs和ARGs的水平迁移机制可能不同。(6)低(L)和中(M)风险水平中,放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度较高,而高(H)风险水平中,厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度显著升高。土壤细菌群落对胺类、酯类和醇类碳源的利用效率最高,但各生态风险水平内,细菌群落对碳水化合物类碳源的利用效率在Cu、Cd复合污染的处理中比单Cu、单Cd处理高。这种碳源利用方式与MRGs表现出显著的相关性,表明土壤细菌群落抗性可能影响群落对碳源的利用效率。(7)同一生态风险水平中,细菌群落结构、功能与抗性的各项指标在不同Cu、Cd处理间差异显著,这些指标均与土壤Cu含量显著相关,而与土壤Cd含量不相关,说明Cu的TF可能被低估。采用斜率单变点分析,通过对MRGs与RI水平之间相关性的调整,我们建议在应用潜在风险指数进行生态风险评估时,将Cu的TF值调整为6。综上所述,重金属污染与土地利用类型共同影响着微生物群落的结构,功能和抗性。高(H)生态风险水平对群落物种和抗性组成的影响大于中(M)、低(L)生态风险;同一生态风险水平中,Cu、Cd的单金属污染与复合污染对微生物群落的影响不同,Cu对微生物群落的影响高于Cd。本研究对更加深刻的理解土壤微生物群落与重金属污染之间的响应提供了新思路,为重金属污染区的生态修复提供了重要的理论依据和数据支撑。


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