長期復合重金屬污染對土壤解磷微生物的影響

劉榮燦,劉曉霞,馮 洋,趙乾程,胡雪松,杜閆彬,于彩虹*

長期復合重金屬污染對土壤解磷微生物的影響

劉榮燦1,劉曉霞2,馮 洋2,趙乾程1,胡雪松1,杜閆彬1,于彩虹1*

(1.中國礦業大學(北京),北京 100083；2.北京市耕地建設保護中心,北京 100074)

為進一步了解長期重金屬污染壓力下解磷微生物群落分布及潛在功能的變化,采用宏基因組學技術系統分析了北京某金礦周邊土壤中含phoD基因或pqqE基因的解磷微生物對不同程度的復合重金屬污染的響應.結果表明:重金屬對解磷微生物確有影響,隨重金屬濃度增加,解磷微生物相對豐度逐漸降低,酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)是重金屬復合污染土壤中的解磷微生物的優勢菌門.重金屬是與解磷微生物群落最顯著相關的因素,重金屬As、Pb、Zn對解磷微生物影響較大,Nitrospirae、Acidobacteria、Gemmatimonadete、Proteobacteria更易受到重金屬的影響發生群落結構改變,其中Nitrospirae對Cr、Cu、Pb、Zn、As、Cd多種重金屬表現出敏感性.有效磷濃度與解有機磷微生物多樣性呈顯著正相關關系(<0.05),堿性磷酸酶活性與解無機磷微生物多樣性顯著負相關,而土壤有機質、總氮、pH值對重金屬污染土壤中解磷微生物多樣性無顯著影響.研究結果為進一步探索長期重金屬污染壓力下解磷微生物的生態適應機制提供參考.

解磷微生物；重金屬；phoD；pqqE

磷是所有生物群維持基本代謝活動和生態系統功能最重要的元素之一[1].土壤中的磷按存在狀態分為無機磷和有機磷,按能否被植物利用可分為無效磷和有效磷.通常情況下,土壤中95%的磷為無效磷,以難溶性有機磷與無機磷酸鹽礦物[2]形式存在,剩下不超過5%為可溶性無機磷酸鹽[3],能與土壤重金屬陽離子結合起到固定重金屬的作用.因此,探究重金屬對無效磷轉化為有效磷的影響機制對土壤重金屬污染修復具有重要意義.

驅動無效磷轉化為有效磷的微生物被稱為解磷微生物.分為解有機磷微生物與解無機磷微生物[4].一般認為兩者之間沒有絕對界限,部分微生物同時具有解有機磷與解無機磷兩種作用[5].解有機磷微生物通過分泌各種酶類溶解難溶性有機磷,其中堿性磷酸酶(ALP)是最重要的酶.編碼堿性磷酸酶的同源基因有phoA,phoX和phoD.其中phoD基因編碼的堿性磷酸酶(PhoD)在土壤中最常見,其在土壤中的豐度也遠高于phoA和phoX,被認為是土壤中最重要的堿性磷酸酶基因[6].解無機磷微生物通過分泌H+、有機酸等將難溶性無機磷酸鹽礦物溶解釋放可溶性無機磷酸根[7],其中由葡萄糖脫氫酶(GDH)和輔因子吡咯喹啉醌(PQQ)共同催化葡萄糖合成[9]葡萄糖酸是主要機制[8].PQQ對細菌利用葡萄糖產酸溶解無機磷起到關鍵作用[10-11].在編碼PQQ的基因簇pqqABCDE中,土壤偏中性條件下pqqE基因表達量最高[13],pqqE基因也被認為最具代表性[14].目前對解無機磷基因的研究較少,公開發表的文章僅局限于細菌產酸途徑中的調節基因[12].近年來宏基因組學技術發展快速,通過研究關鍵解磷基因phoD和pqqE的豐度、微生物群落的組成和分布的變化來探究解磷微生物如何適應環境壓力成為可能[15].然而,更多的研究集中在磷肥、環境跨度等因素上,重金屬對解磷微生物群落的影響仍缺乏全面了解.

土壤重金屬污染作為世界范圍環境問題備受關注[16-18].解磷微生物是土壤中可溶性無機磷酸鹽的潛在供應體,能夠持續轉化有效磷,部分可用來固定和鈍化重金屬,降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性[19],解磷微生物可以在一定程度鈍化土壤重金屬[20],且菌株對不同重金屬降解的實驗室研究愈發受到重視[21-28].土壤中的重金屬污染會嚴重影響土壤微生物的組成、豐度和多樣性,降低土壤肥力進而使其生態系統服務功能受損[18],phoD與pqqE作為解磷功能基因為探究重金屬污染土壤中解磷微生物群落的變化提供了有效方法.同時明晰土壤中解磷微生物群落對重金屬的響應機制對于開重金屬修復技術具有重要的意義.

本文研究了金礦周邊不同程度復合重金屬污染的農田土壤中含有phoD或pqqE基因解磷微生物的關鍵類別,明晰了解磷微生物群落對不同濃度重金屬的響應,重點探討了重金屬濃度與解磷微生物之間的相關性,為進一步探索解磷微生物應對土壤重金屬污染的機制提供依據.

1 材料與方法

1.1 土壤取樣

從北京市某廢棄金尾礦周邊農田中采集土壤樣品,在前期調研的基礎上,沿廢棄河道選取重金屬污染程度的L、M、H3塊取樣地,根據5點取樣法每塊地選擇3個采樣點,選擇3個重復,每個采樣點設置D1(0～20cm)、D2(20～40cm)、D3(40～60cm)、D4(60～80cm)、D5(80～100cm)5個采樣深度,按照等量、隨機、多點混合的原則取樣,以保證土壤樣本的代表性.每個樣品取樣完畢后混合均勻,用塑料帶密封,記錄下取樣地點、日期等基本信息.共取得45份土壤樣品,完全混合后分為兩部分進行DNA測序與土壤理化性質測定.

1.2 土壤理化性質、重金屬濃度、堿性磷酸酶活性測定

按照《土壤農業化學分析方法》[29]分析土壤中理化性質、《土壤酶及其研究法》[30]分析土壤酶活性,簡要方法如下:

土壤中總氮(TN):采用凱氏定氮法測定;氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮:采用氯化鉀溶液提取-分光光度法(HJ 634-2012)測定;土壤溶解性有機碳(TOC):稱過2mm篩的風干土樣10g,按水土比2:1添加蒸餾水,在25℃下恒溫振蕩30min后(180r/min),用0.45mm濾膜抽濾,濾液直接在TOC-1020A有機碳分析儀(Elementar,德國產)上測定;土壤pH值:稱取風干土樣10g,加入25mL的去CO2蒸餾水,浸提30min后用pH計(YOKEPHS-3E.Shanghai,China)測定;土壤有機質(SOM):重鉻酸鉀－硫酸氧化法測定;土壤有效磷含量(P):鉬銻抗比色法[31]測定;堿性磷酸酶活性(ALP):磷酸苯二鈉比色法[32]測定.

土壤重金屬總濃度的測定:采用AFS ((JitianAFS-9130,中國))測定As總濃度,采用ICP- MS((I捷倫ICP-MS7700x,USA))測定總Cd、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni.

1.3 宏基因組測序

用DNA提取試劑盒(E.Z.N.A.Soil DNA Kit, Omega Bio-Tek,Inc.,GA,USA)提取用于元基因組學的DNA.使用S220聚焦超聲儀?(Covaris Inc.,沃本,美國馬薩諸塞州)切除和提取剪切DNA片段(～500bp),用于成對末端文庫的構建.鳥槍法提取合格的?,用NEB next Ultra DNA Library Prep Kit (Illumina,Inc.,CA,USA)構建成對端測序文庫,通過Qubit4.0 熒光定量儀(美國ThermoFisher Science)測量文庫濃度, 2100DNA1000Kit(Agilent Technologies, CA,USA)檢測文庫長度分布.使用Illumina HiSeq XTen測序平臺(Illumina,Inc.,CA,USA)在中國上海生工生物技術公司高通量測序中構建合格的測序文庫,測序方式為 PE150bp.

1.4 數據處理和分析

采用Excel 2019統計數據,使用Past3和R語言(4.0.2版)繪制圖形.采用方差分析計算統計學差異.Shannon指數和Simpson指數箱線圖、物種豐度星圖和主成分分析(PCA)由R中的vegan包計算、ggplot2繪制.多樣性指數表使用Past3計算.微生物物種豐度堆疊圖通過Excel 2019繪制.R中的pheatmap包生成了說明微生物群落豐度與金屬濃度之間Spearman相關性的熱圖.

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬濃度和土壤理化性質

土壤重金屬As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni全量含量見表1.根據《土壤環境質量農業土壤污染風險控制標準(試行)》GB15618-2018設置的風險篩選值與管控值判定,L組As含量在篩選值范圍內,其余各土層各金屬含量均遠低于篩選值,農用地土壤污染風險低,認為L組為無污染對照土壤樣本;M組除Cu、Cr、Ni在篩選值范圍內,Cd和Pb小于等于風險管制值、As大于等于風險管制值、三者濃度超標,認為M組為復合重金屬污染土壤樣本;H組除Cr、Ni以外,其余重金屬全量均遠超風險篩選值,As、Pb比風險管控值高出近50倍和10倍,認為H地為重度復合重金屬污染土壤樣本.

在D1層中,如表2所示,H組TOC、TN、SOM及有效磷含量顯著高于L、M組,堿性磷酸酶活性變化呈現M組>L組>H組的變化趨勢,張杰等研究表明堿性磷酸酶活性隨重金屬濃度增加整體呈現活性抑制狀態[28],重金屬濃度過高會抑制微生物生長繁殖,不宜于微生物生存.

表1 土壤重金屬全量(mg/kg)

注:數值后不同字母表示差異顯著(<0.05).

表2 廢棄尾礦周邊土壤不同環境因子指標

注:表中數據為D1層每組3個重復樣本的平均值±標準差,每行數字后面的不同字母表示<0.05水平下存在顯著性差異.

2.2 解磷微生物群落多樣性

通過對土壤宏全基因組測序獲得phoD基因作為篩選解有機磷微生物的標志基因,篩選出443條結果,分屬1個真菌門、13個細菌門共59種微生物.以pqqE基因作為篩選解無機磷微生物的標志基因,共篩選出794條結果,1個真菌門、9個細菌門共70種微生物.下文針對解磷微生物多樣性分別進行了詳細分析.

圖1 解磷微生物群落多樣性分析

不同重金屬污染濃度下解磷微生物群落的主坐標分析(PcoA)得解有機磷群落第一主軸占比58.31%(圖1(a)),解無機磷群落第一主軸占比59.49%(圖1(b)).不同重金屬污染濃度下的兩種解磷微生物群落規劃出分離明顯清晰可見的置信橢圓,表明重金屬濃度的變化對解有機磷、無機磷微生物群落均有影響;且在不同重金屬污染管理下的H組和M組部分樣品圖上距離近,分布密集,樣品間差異不明顯,但二者與L組被坐標軸明顯分開,存在較大差異,說明重金屬污染對解磷微生物群落結構影響差異明顯.

同時通過微生物a多樣性分析得知,在各個土壤深度下,解磷微生物群落多樣性指數都隨著重金屬濃度的升高呈現出先下降再上升的變化趨勢(圖1(c)、(d)),L組無污染對照區域土壤中微生物Shannon指數略高,其次是H組和M組,說明重金屬濃度會刺激解磷微生物多樣性發生變化.這可能與土壤理化環境、微生物間的相互作用有關,有研究表明更高濃度重金屬污染激發了微生物某些重金屬抗性機制,激發了微生物間的相互作用[33].

表層土壤中含有phoD基因的解有機磷微生物群落與含有pqqE基因的解無機磷微生物群落物種多樣性指標見表3.綜合兩種解磷微生物群落分析,表層Shannon指數和Simpson指數的大小順序為L>H>M,解磷微生物多樣性與復合重金屬污染程度之間不存在簡單的線性關系.解有機磷群落的Taxa S指數、Evenness指數小于解無機磷群落,但Menhinick和Margalef指數的大小順序為解有機磷群落>解無機磷群落;說明雖然表層土壤中相較于解無機磷群落,解有機磷群落物種多樣性略低,但細菌豐度高,且豐度分布不均勻,解有機磷微生物群落中存在極優勢物種.Berger-Parker指數大小順序為M>L>H,說明M組解磷微生物數量分布最不均勻,重金屬刺激了解磷微生物群落組成的改變;Taxa S指數以及Chao-1指數未發生數值變化,說明重金屬污染并未影響解磷微生物的物種組成.

表3 解磷微生物群落Alpha多樣性指數

此外,微生物多樣性隨著土壤深度增加而呈現先上升后下降的趨勢,群落結構發生改變.D3層解磷微生物多樣性指數最大,說明40～60cm土層微生物多樣性高于其他土層(圖1(c)、(d)).隨著土壤深度增加,解磷微生物均勻度表現出與多樣性指數相同的先增大后減小變化趨勢,猜測可能因為解磷微生物優勢物種屬好氧菌,隨著土壤深度增加其生長所需各種環境要素如陽光、水分、氧氣量減少,不利于其生長,表層土壤雖然外部環境適宜,但存在重金屬富集累積導致其生長被抑制.有研究證實微生物的生長受到外界條件的影響很大,受外界環境條件和土壤中重金屬含量的雙重作用[34],且植物生長代謝會在表層土壤中累積重金屬[35].

2.3 解磷微生物群落組成

相對豐度堆積分析(圖2(a))表明,隨重金屬濃度增加,解磷微生物相對豐度逐漸降低,重金屬會抑制解磷微生物整體活性.重金屬污染土壤樣本中解有機磷微生物分布集中在細菌門,主要為酸桿菌門(Acidobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、變形菌門(Proteobacteria)、厭氧氨氧化菌門(Candidatus_Rokubacteria)、放線菌門(Actinobacteria),這與其他對不同土壤中解磷微生物群落研究得出的優勢門類似[36-38],其中酸桿菌門(Acidobacteria)占解有機磷群落豐度的47%～50%.同時發現古菌群落廣古菌門(Euryarchaeota)占所有微生物豐度的0.0016%,古菌中Euryarchaeota已被證實含有phoD基因序列[38].酸桿菌門屬、裝甲菌門屬、游動放線菌屬()、固氮弓菌屬()、變形桿菌門的伯克氏菌目(Burkholderiales_noname)約占所有解有機磷微生物的90%以上(圖2(d)).解無機磷微生物主要由放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、奇古菌門(Thaumarchaeota)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、疣微菌門(Verrucomicrobia)組成(圖2(a)),與前人研究得出的解磷微生物優勢菌門類似[40-43].生絲微菌屬()[13]、、線狀微球菌屬()、甲基菌屬()是解無機磷微生物優勢屬(圖2(e)).

值得注意的是厭氧氨氧化菌目前仍無解磷功能研究記錄,但有研究表明Candidatus A. autotrophicum具有產乙酸的機制[39];產酸是解磷菌解磷的機理,我們猜測這是Candidatus A. autotrophicum被篩選出的原因,這將在后續研究中繼續證實.解有機磷微生物群落和解無機磷微生物群落組成差異不大,優勢門微生物重合率達90%,這也與文獻中認為大部分解磷微生物同時具有解有機磷與無機磷觀點一致[4].同時本文發現,解磷微生物總豐度順序為:M>L>H,有研究表明在Cd、Pb復合污染土壤中,較低濃度的重金屬離子有利于提高土壤微生物活性,當Cd濃度大于15mg/kg、Pb濃度大于200mg/kg 時微生物活性開始下降[44];M組Cd濃度小于上述臨界值,但Pb濃度大于臨界值,或許其他重金屬之間聯合作用影響了微生物的活性與豐度,這將在之后的研究中證實.物種星圖直觀表現出微生物群落組成的差異情況(圖2(b)、(c)),解磷微生物群落的組成及優勢類群在L、M、H中大致相同,但各個門的相對豐度卻存在顯著差異,這同時證實重金屬會影響解磷微生物的群落結構.

圖2 解磷微生物α多樣性分析

(a) 橫坐標為phoD-L/M/H、pqqE-L/M/H六個樣本的門水平微生物豐度堆疊圖(0～20cm土壤深度樣本);(b)含有phoD基因及(c)含有pqqE基因門水平微生物物種豐度星圖,每塊扇形區域長度與豐度有關,9個樣本為0～20cm表層土壤樣本,L/M/H每組最后標注出來的樣本數據為三個重復樣本求平均所得;(d)含有phoD基因及(e)含有pqqE基因屬水平微生物群落弦圖

不同微生物對重金屬反應各不相同,解磷微生物也存在同樣的模式.古菌可以通過一些解毒和代謝機制在重金屬污染土壤中存活,解磷微生物群落中奇古菌門(Thaumarchaeota)、廣古菌門(Euryarchaeota)對重金屬的刺激反應并不顯著,在M和H位點保持了高豐度,豐度百分比依次為10.54%、11.32%、10.20%以及1.25%、1.20%、1.20%.然而,細菌對重金屬響應不同.Acidobacteria豐度所占平均百分比在L、M、H依次為23.78%、34.05%、30.96%,隨著重金屬濃度升高呈現出先上升后下降的趨勢.細菌豐度與隨重金屬濃度增加而增大成正相關關系的微生物有Nitrospirae、Candidatus_Rokubacteria、Firmicutes.H中屬的的豐度最高.研究表明,在重金屬高濃度范圍內,巴氏芽孢桿菌可通過生物礦化和生物富集作用修復Cd、Cr(Ⅲ)和Zn等重金屬.有研究表明, Proteobacteria和Firmicutes中都含有強金屬抗性基因[45],可以解釋擬桿菌門厚壁菌門豐度隨重金屬濃度升高而升高的現象.有研究表明,Proteobacteria可以在高重金屬污染環境中生存,具有重金屬耐受性[34,46],同樣本研究中解磷微生物群落中Proteobacteria豐度并沒有受重金屬濃度的顯著影響. Actinobacteria隨重金屬濃度增加豐度逐漸減小,有研究表明Actinobacteria與重金屬全量極顯著負相關[47], Actinobacteria對重金屬毒性影響最為敏感[44];但Joan Cáliz等[48]研究發現在重Cd污染酸性土壤中Actinobacteria菌株具有強Cd、Pb耐受性,猜測土壤理化性質及重金屬含量的不同會刺激Actinobacteria的重金屬抗性.

2.4 解磷微生物群落分布與重金屬的相關性

為進一步探討重金屬對解磷微生物的影響,重金屬與多數優勢門群落表現出顯著相關性.對重金屬含量和微生物豐度數據進行Spearman相關矩陣分析.如圖4所示,重金屬與多數優勢門群落表現出顯著相關性.As、Zn、Pb、Cu、Cd等重金屬與解磷微生物中Nitrospirae、Proteobacteria、Planctomycetes、Actinobacteria、Verrucomicrobia和Planctomycetes顯著負相關.

圖3 解磷微生物群落與不同重金屬的RDA分析

不同顏色坐標點:取樣地點;黑色箭頭:不同重金屬;圖中英文:門水平微生物(添加顯著性標識*)

其中重金屬顯著抑制Armatimonadete豐度.同時冗余分析表示,As、Pb、Zn對phoD、pqqE微生物群落影響最大(圖3),Acidobacteria、Gemmatimonadetes、Proteobacteria、Nitrospirae、Planctomycetes受重金屬影響更加明顯.

D1/D2/D3/D4/D5分別代表土壤0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm.其中值用紅色－黃色－藍色的色階代替,而顯著性則用“*”表示.顯著性<0.01為“**”表示極為顯著;0.05<<0.01為“**”表示極為顯著;>0.05不標注顯著性

由圖4可知,Nitrospirae是受重金屬影響最大的微生物群落,與Cr、Cu、Pb、Zn、As、Cd等重金屬都展現了顯著正相關性.有研究表明在重金屬污染土壤中具有硝酸鹽還原作用,參與好氧氨氧化過程的微生物豐度較高[54].Sahu等[55]從被高濃度Cd污染土壤中篩選出了的幾株解磷微生物,其中分屬Proteobacteria的腸桿菌株具有高重金屬耐受性支持了本研究結論[55].Nitrospirae與重金屬含量呈極顯著負相關,且Actinobacteria呈極顯著負相關.隨著土壤深度增加,Gemmatimonadetes與重金屬的相關性由正相關變為負相關,趙鑫等研究表明Gemmatimonadetes對重金屬有一定耐受能力[54].有研究稱Planctomycetes、Nitrospirae和Gemmatimonadetes的相對豐度與重金屬含量呈現負相關性[56],猜測產生結果差異的因素是土壤類型及土壤層深的不同.Ni、Cr等重金屬與解磷微生物并無太大的相關性,這可能是由于Ni、Cr兩種重金屬在研究樣本中均不構成污染且濃度在樣本間差別不大.此外,隨著垂直深度的增加,解磷微生物Euyarchaeota、Proteobacteria、Armatimonadetes、Planctomycetes、Firmicutes、Candidatus_ Acetothermia、Verrucomicrobia與重金屬相關性顯著性指數p值逐漸減小,即程度呈現出增強的趨勢. 同時發現,解磷微生物群落被重金屬復合影響,并未顯示出對單一重金屬顯著相關性.

2.5 解磷微生物群落分布與環境理化性質相關性

除重金屬外,大量研究表明,理化性質與解磷微生物之間也存在相關性.phoD解有機磷微生物冗余分析 (RDA)表明(圖5),理化性質中土壤有效磷含量與解有機磷群落顯著正相關,解釋了群落相關性的 48.3%.有研究表明phoD基因群落的豐度和組成與磷儲量和磷有效性顯著相關[49].同時,有機質含量也與解有機磷微生物顯著相關,有研究表明,重金屬污染區解磷細菌豐度與有機質含量呈顯著正相關(<0.05)[42],有機質能顯著影響含有phoD基因的微生物群落結構[50].

圖5 解磷微生物群落與環境因子的相關性

數據為表層0～20cm土壤深度樣本,不同顏色坐標點:取樣地點;黑色箭頭:環境變量;圖中英文:門水平微生物(添加顯著性標識*)

由于地理環境等的差異以及樣本量、研究方法等因素的影響,得到了不同于此前研究的一些結果.很多研究認為pH值是直接和間接決定有機磷礦化相關基因豐度的關鍵因素的結論[37-38],但在本研究中,由圖5可知,pH值射線在所有射線中長度并不突出,說明pH值對phoD微生物有影響但并不顯著.將圖5中所有理化性質射線延長,同時把土壤樣本點垂直投影于延長線上,沿著圖中各個變量箭頭的方向樣本相關性逐漸增大,觀察L、M、H樣本所在位置:pH值對L組無污染樣本土壤的影響最大,證實了pH值是L組解有機磷群落的關鍵因素;對M、H組,pH值的影響并不突出.本文推測土壤的復合重金屬污染影響了pH值與微生物群落的相關性.此外,土壤C:P和N:P比率以及微生物碳是和phoD細菌群落豐度、群落多樣性和群落組成的主要預測因子[51],但Mise等[6]Gaiero等[52]研究表明phoD基因微生物群落組成與土壤碳或氮濃度并不相關; Hu等[50]認為土壤有機碳對phoD群落結構有很大影響,磷的影響不大,進一步得出土壤中有機磷礦化與碳礦化是解耦的結論.這些結果之間存在差異的原因或許是采樣點土壤類型和地理范圍不同導致.此外,環境因素對各微生物門的相關性也存在差異, Actinobacteria、Candidatus_Rokubacteria、Gemmatimonadetes、Proteobacteria呈現出顯著相關性.有研究表明,對環境條件的變化比其他微生物更敏感,特別是與土壤有機碳、總氮、NH4+-N和NO3--N濃度呈負相關,與容重呈正相關[53].環境因子對phoD基因解有機磷微生物存在一定影響,但在本樣本中,其并不是影響微生物群落變化最主要的變量.

在對pqqE基因解無機磷微生物的冗余分析(RDA)中發現,堿性磷酸酶活性解釋了解無機磷微生物群落相關性的65.85%,是與pqqE群落最相關的環境因素(圖5(b)).堿性磷酸酶含量越高,表明土壤中解有機磷機制占比越大,有效磷含量增加抑制微生物解無機磷過程,這將在未來的研究中進一步證實.其余環境理化因子對本樣本中的解無機磷微生物群落有一定影響但效果不顯著.

3 結論

3.1 解磷微生物主要通過調整群落結構來應對重金屬壓力,不同重金屬污染程度下微生物多樣性無顯著變化.

3.2 解磷微生物在細菌與古菌界中存在且細菌豐度占95%以上,解有機磷群落與解無機磷群落組成重合率達90%,含phoD基因的解有機磷微生物以酸桿菌門(Acidobacteria)為主,其次是芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)及變形桿菌門(Proteobacteria),含pqqE基因的解無機磷微生物以酸桿菌門(Acidobacteria)為主,其次是變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria).

3.3 RDA分析發現,無污染土壤中,pH值確是與解磷微生物群落最顯著相關的因素,在重金屬污染土壤中,相較于pH值、SOM等土壤理化性質,重金屬更顯著地影響解磷微生物群落多樣性,同時相關性分析表明As、Pb和Zn是影響解磷微生物的最關鍵因子.

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Effects of long-term combined heavy metal pollution on soil phosphate solubilizing microorganisms.

LIU Rong-can1, LIU Xiao-xia2, FENG Yang2, ZHAO Qian-cheng1, HU Xue-song1, DU Yan-bin1, YU Cai-hong1*

(1.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China；2.Beijing Cultivated Land Construction and Protection Centre, Beijing 100020, China)., 2023,43(2)：915～926

In order to further understand the changes of distribution and potential functions of phosphorus solubilizing microorganisms under long-term heavy metal pollution pressure, the response of phosphorus solubilizing microorganisms containing phoD gene or pqqE gene in the soil around a gold mine in Beijing to different levels of combined heavy metal pollution was systematically analyzed by using macrogenomics technology. It is showed that phosphorus solubilizing microorganisms was affected by heavy metals. With heavy metal concentration increasing, the relative abundance of phosphorus solubilizing microorganisms gradually decreased. Acidobacter and Actinobacteria were the dominant bacteria of phosphorus solubilizing microorganisms in heavy metal contaminated soil. Heavy metals were the most significantly related factors to the phosphorus solubilizing microbial community. The phosphorus solubilizing microorganisms were greatly affected by heavy metals As, Pb, Zn. Heavy metals were susceptibly influence Nitrospirae, Acidobacteria, Gemmatimonadete, Proteobateria, which changed the community structure. Nitrospirae was sensitive to Cr, Cu, Pb, Zn, As, Cd. The concentration of available phosphorus was significantly positively related to the diversity of phosphorus solubilizing microorganisms (<0.05), while Alkaline phosphatase activity was significantly negatively correlated with the diversity of phosphorus solubilizing microorganisms. However, soil organic matter, total nitrogen and pH had no significant effect on the diversity of phosphorus solubilizing microorganisms in heavy metal contaminated soil. The results provided a reference for further exploring the ecological adaptation mechanism of phosphorus releasing microorganisms under long-term heavy metal pollution pressure.

phosphate solubilizing microorganisms；heavy metals；phoD；pqqE

X53

A

1000-6923(2023)02-0915-12

劉榮燦(1998-),女,山東菏澤人,中國礦業大學(北京)研究生,主要研究方向土壤重金屬污染修復.發表論文1篇.

2022-06-27

* 責任作者, 教授, caihongyu@cumtb.edu.cn