酸性矿山废水长期灌溉稻田土壤中微生物群落结构时空变化特征及其响应机制

论文摘要

酸性矿山废水（Acid Mine Drainage,AMD）是一类具有高酸度,高重金属浓度及高硫酸根离子浓度特征的废水,通常在矿区开采时或废弃后,由裸露的尾矿在雨水或径流的冲刷下溶解氧化形成。这些AMD的大量排放给矿区周边地表水、沉积物、土壤和生态环境造成了严重污染。AMD中富含的重金属等污染物进入土壤后,直接威胁着周围农业生态系统生产力与农作物食品安全。在矿区生态系统中,微生物所驱动的各类地球化学过程决定了AMD中污染物(如SO42-、重金属离子等)在水体、沉积物和土壤中的迁移转化过程。尽管已有大量研究报道AMD污染显著影响土壤组分,降低土壤质量,但是在这其中微生物扮演了何种角色,如何适应AMD特征污染物、维系土壤基本功能的响应机制却缺乏清晰的结论。本研究立足于AMD长期灌溉对稻田土壤微生物生态的影响,选取广东省北部大宝山金属硫化物矿区为研究区域,以长期AMD灌溉的稻田土壤为研究对象。结合高通量测序技术和生物信息学分析方法从空间分布及时间序列两种维度上分析AMD灌溉稻田土壤微生物群落的结构组成和功能特征,系统研究了AMD灌溉稻田土壤对环境条件改变的响应,厘清AMD灌溉土壤中维持生态系统功能的核心类群和相关功能微生物对污染物的响应机制。研究结果如下:（1）长期AMD灌溉改变了沿河流域稻田微生物群落结构和多样性,在空间分布上形成了以细菌门Acidobacteria和古菌门Crenarchaeota为主导的微生物群落结构,AMD污染的横石河流域稻田土壤形成了与其他稻田土壤中的Proteobacteria主导的群落结构不同的微生物群落结构。优势菌群Acidobacteria和Crenarchaeota与AMD影响下的特征环境因子如pH和重金属（Cu,Pb和Zn）等显著相关。优势菌群Acidobacteria中的菌属Candidatus Solibacter和Candidatus Koribacter在土壤微生物群落中同样占主导地位。PICRUSt预测功能基因进一步显示AMD灌溉造成了稻田土壤中微生物关键碳氮代谢功能通路在细菌与古菌间的转移,解释了微生物群落如何在AMD污染环境中维持土壤生产力并抵抗外界扰动的作用机制。（2）AMD污染严重（上坝村）的稻田土壤剖面从表层到深层（080cm）细菌群落仍以Acidobacteria为主导,该菌门在整个剖面中都是优势菌,相对丰度最高值达33%。但不同层次土壤中由于土壤理化性质的差异,Acidobacteria类群内部的分布特征差异明显,表层样品中主要以Gp1和Gp3菌纲为主,而深层样品则主要由Gp2菌纲组成,同时仅中间单层样品中出现由Gp1、Gp2和Gp3菌纲共同组成的过渡层。进一步分析上坝村稻田土壤的重要功能菌群,发现高硫酸盐土壤中的重要功能微生物硫酸盐还原菌（Sulfate reducing bacteria,SRB）丰度较高,功能基因dsrB丰度达到1.92×109拷贝数/克干土,明显高于其他稻田环境中的该菌群丰度。该稻田土壤中SRB的分布规律是:沿入水口至出水口下降,由表层至深层逐步降低。通过对dsrB基因进行建库分析后得出最占优势地位的SRB菌属为Desulfobacca,揭示了在这种高硫酸根含量的稻田土壤中参与硫循环的优势SRB类群。（3）AMD灌溉水pH升高后稻田土壤理化性质改变明显,微生物群落结构也发生了相应的演替。由于污染河流源头的综合治理使得灌溉水pH显著回升,形成了一个在采样期内灌溉水pH显著变化的原位自然环境样本,避免了空间变量的干扰,研究结果证明了AMD污染稻田土壤中pH是改变整体群落结构的主要制约因素。群落相似性分析的结果显示,灌溉水pH升高后横石河流域沿上游至下游群落结构的空间差异性减小。从细菌门水平上看,Proteobacteria成为了流域稻田土壤中最为优势的菌门,但值得注意的是,灌溉水pH改变后,微生物群落在仍然保持了大部分与污染时低pH污染环境中类似的优势微生物类群。其中Acidobacteria与Proteobacteria在种群内部并没有发生明显演替,Acidobacteria中的部分菌属依然占优势。这说明在一定的pH变动范围内,核心微生物组在土壤生态系统具有较强的稳定性,这种结构的稳定性说明有可能可以通过调控稳定的核心微生物组来实现稻田土壤的功能调节。而环境条件发生变化后（灌溉水pH升高）,细菌和古菌群落结构的演变趋势不同,细菌群落对于环境扰动的响应从整体上比古菌更为敏感。（4）通过构建微生物分子生态网络,进一步量化群落中核心微生物组与群落中其他物种的互作关系,解释了核心微生物组如何在不同pH下保持稻田土壤生态系统的结构稳定性。灌溉水pH升高后,土壤中新的优势菌群Proteobacteria在灌溉水pH升高后的细菌network中开始承担重要的模块枢纽的职责,Acidobacteria在群落中的相对丰度虽然下降明显,但该类群中的物种仍然在network中起着关键的连接者的作用。并且,从network的关键节点分析结果中也可以发现低丰度的稀有微生物类群对生态系统稳定性的贡献与高丰度的微生物类群一样不可忽视。时间序列上network的复杂度变化趋势说明,当存在外界环境扰动时（灌溉水pH升高）,微生物群落内部各类群会加强互作程度以抵抗外界环境变化,当环境条件逐渐趋于稳定时,互作程度又会逐渐降低至扰动前相似水平。与细菌群落相比,古菌群落network变化较小且复杂度也较低,进一步佐证了古菌群落较细菌群落对环境扰动的抵抗力更强。综上所述,本研究系统地探究了AMD长期污灌下稻田土壤微生物群落维护生态系统稳定与保持土壤功能的适应机制,从微生物生态群落变化的水平阐明AMD对稻田土壤生态系统及其元素生物地球化学循环带来的具体影响,进一步地为AMD污染治理的生物修复策略提供了新的功能微生物信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 酸性矿山废水（AMD）的形成及危害
•   1.2 酸性矿山废水环境中微生物的生态作用
•   1.3 土壤微生物的功能作用及生态研究进展
•   1.4 AMD污染对稻田土壤生态系统的危害及微生物群落的响应
•     1.4.1 土壤微生物在稻田中的生态功能
•     1.4.2 AMD中重金属污染对微生物群落的影响
•     1.4.3 AMD对微生物群落多样性的影响
•   1.5 环境微生物基因组相关的技术发展
•     1.5.1 核酸分子杂交技术
•     1.5.2 凝胶梯度电泳法
•     1.5.3 限制性DNA片段序列多态性分析方法
•     1.5.4 克隆文库
•     1.5.5 高通量测序技术
•     1.5.6 环境基因组技术的发展趋势与应用潜力
•   1.6 研究内容与技术路线
•     1.6.1 研究目的
•     1.6.2 研究内容
•     1.6.3 技术路线
• 第二章 长期AMD灌溉稻田土壤微生物群落结构特征
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 样品采集
•     2.1.2 土壤理化性质测定
•     2.1.3 土壤总DNA的提取
•     2.1.4 样品DNA的 PCR扩增
•     2.1.5 Illumina Miseq测序文库制备及上机测序
•     2.1.6 测序结果分析
•   2.2 结果与讨论
•     2.2.1 长期AMD灌溉对稻田土壤理化性质的影响
•     2.2.2 长期AMD灌溉稻田土壤细菌群落结构特征
•     2.2.3 长期AMD灌溉稻田土壤古菌群落结构特征
•     2.2.4 长期AMD灌溉稻田土壤真菌群落结构特征
•     2.2.5 微生物群落结构对AMD灌溉的响应及其环境影响因素
•     2.2.6 微生物群落功能对AMD灌溉的响应
•   2.3 本章小结
• 第三章 长期AMD灌溉稻田土壤剖面的细菌群落及功能菌硫酸盐还原菌群特征.
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 样品采集
•     3.1.2 土壤理化性质测定
•     3.1.3 土壤总DNA的提取
•     3.1.4 样品DNA的 PCR扩增
•     3.1.5 Roche Genome Sequencer FLX+上机测序
•     3.1.6 测序结果分析
•     3.1.7 dsrB基因的实时荧光定量PCR扩增
•     3.1.8 dsrB目的基因克隆文库的构建
•   3.2 结果与分析
•     3.2.1 稻田土壤剖面理化性质
•     3.2.2 稻田土壤剖面细菌群落特征
•     3.2.3 稻田土壤剖面细菌群落的环境影响因素
•     3.2.4 稻田土壤剖面硫酸盐还原菌丰度分布
•     3.2.5 稻田土壤剖面硫酸盐还原菌群落分布
•   3.3 本章小结
• 第四章 AMD的 pH升高后稻田土壤中微生物群落演变
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 样品采集
•     4.1.2 土壤理化性质测定
•     4.1.3 土壤总DNA的提取
•     4.1.4 样品DNA的 PCR扩增
•     4.1.5 Illumina Miseq测序文库制备及上机测序
•     4.1.6 测序结果分析
•   4.2 结果与分析
•     4.2.1 AMD的 pH升高后稻田土壤的理化因子变化
•     4.2.2 AMD的 pH升高后稻田土壤的细菌群落变化
•     4.2.3 AMD的 pH升高后稻田土壤的古菌群落变化
•     4.2.4 AMD的 pH升高后稻田土壤的群落α多样性分析
•     4.2.5 AMD的 pH升高后稻田土壤的群落结构差异性（β多样性）分析
•     4.2.6 AMD的 pH升高后稻田土壤微生物群落变化的环境影响因素
•   4.3 本章小结
• 第五章 AMD灌溉稻田土壤微生物的交互作用响应机制
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 样品分组及数据选择
•     5.1.2 微生物分子生态学网络模型构建
•   5.2 结果与分析
•     5.2.1 稻田土壤细菌分子生态网络对AMD污染响应机制
•     5.2.2 稻田土壤古菌分子生态网络对AMD污染响应机制
•   5.3 本章小结
• 结论与展望
•   研究结论
•   研究特色与创新
•   研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪涵

导师: 党志

关键词: 酸性矿山废水,稻田土壤,微生物群落结构,硫酸盐还原菌,分子生态网络

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,矿业工程,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 华南理工大学

分类号: X751;X172

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000100

总页数: 146

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