土壤有机氯生物协同降解过程及其功能微生物分子生态学鉴定

以旱坡地红壤为模式农田土壤生态系统，以五氯酚和蚯蚓为典型有机氯污染物和土壤动物类型，依照效应-过程-机理这一研究主线，将土壤污染野外生态对照实验和温室微宇宙污染控制实验相结合，在辨明五氯酚土壤老化、化学降解和生物降解等土壤过程基础上，分析蚯蚓和土著微生物对五氯酚生物降解的联合驱动效应和过程。进而从污染物有效性、有机代谢底物转化、蚯蚓肠道菌群和土壤微生物群落结构和功能多样性等方面揭示两类关键土壤生物类群降解五氯酚的协同机制。将稳定同位素探针技术（DNA-SIP）和454高通量DNA 测序技术等宏基因组学方法相结合，建立并优化土壤有机氯污染物降解的功能微生物原位分离鉴定技术，据此构建功能微生物基因指纹图谱和宏基因组文库，揭示群落结构演替特征、机制及其主控因子。为探明土壤生态系统的关键恢复过程及其生物协同驱动机制，挖掘功能微生物基因资源，探索新的环境友好型污染修复技术提供理论支撑。

五氯酚（PCP）是一种典型的有机氯污染物。自然条件下，虽然土壤有机氯污染物能够通过多种途径降解，但降解速度缓慢，降解半衰期较长。土壤动物和微生物等生物类群是陆地生态系统物质循环的主要驱动者。本项目主要在辨明五氯酚土壤老化、化学降解和生物降解等土壤过程基础上，分析研究了蚯蚓和土著微生物对五氯酚生物降解的联合驱动效应和过程。本研究选用表层种和内层种生态型蚯蚓（Eisenia foetida和Amynthas robustus E.Perrier）作为工程生物，分别在灭菌和未灭菌土壤中添加堆肥作为有机代谢底物的基础上，动态监测了培养过程中土壤PCP残留、pH、总有机碳、腐殖质、微生物量碳氮、土壤基础呼吸等指标，分析了蚯蚓和土著微生物在PCP降解中的作用，并运用Biolog、DGGE、稳定同位素探针技术（DNA-SIP）及T-RFLP等技术方法研究了蚯蚓对PCP污染土壤中微生物群落结构多样性和功能多样性的影响。结果表明，（1）蚯蚓可以增强土著微生物降解土壤PCP的效率，内层种蚯蚓强化效果优于表层种；（2）两种生态型蚯蚓均能够提高PCP污染土壤中的微生物数量、代谢活性和群落结构多样性，内层种蚯蚓促进效果优于表层种蚯蚓；（3）运用稀释平板技术从内层种蚯蚓处理旱地土中筛选出了1株PCP降解优势菌（Klebsiella sp. T1），从水稻土中筛选出了2株PCP降解优势菌（Pseudomonas sp. S1和Klebsiella sp. S2），菌种降解效果试验显示添加Klebsiella sp. T1、Pseudomonas sp. S1和Klebsiella sp. S2菌种后土壤中PCP降解率显著高于无蚯蚓和无菌剂对照；（4）项目进一步优化了土壤有机氯降解功能微生物的稳定同位素探针技术，并通过稳定同位素探针技术（DNA-SIP）和DGGE、T-RFLP等分子指纹图谱技术相结合，原位分析了蚯蚓驱动下的土壤及两种生态型蚯蚓肠道中PCP降解功能微生物群落组成及其多样性特征，探索了这些微生物在蚯蚓强化修复土壤五氯酚污染过程中的演变规律，鉴定出了土壤/蚓触圈中具有同化降解五氯酚能力的功能微生物主要属于变形菌门（Proteobacteria）。以上结果为挖掘功能微生物基因资源以及探索有机氯污染土壤新的环境友好型修复技术提供了有力的理论依据。