石油污染土壤植物修复过程中根际微生物群落的响应机制

Phytoremediation of petroleum contaminated soil is largely based on plant root activity, especially through the selection and enrichment of petroleum degrading microorganism by root exudates. Plant root exudates are considered to be driving factors for the remediation of organic pollutants. However, at present there are no widely accepted methods for the isolation and identification of root exudates. Research studies on the influence of root exudates on pollutant degradation rates and the microbial community are mostly limited to total rhizosphere exudates but not specific root exudates. The overall objectives of the proposal are (1) to collect and determine the root exudates of different tall fescue varieties in undisturbed conditions using in-situ collection apparatus; 2) to study the remediation efficiency of tall fescue varieties,then propose which root exudates play a key role in petroleum remediation. 3) to study the influence of the plant root system or amendment with root exudates on bacterial community structures, functional microbes (plant growth-promoting rhizobacteria, biosurfactant-producing bacteria, petroleum degraders) and relevant functional genes using High-throughput sequencing etc; and 4) to establish the relationships between root exudates, microbial community and petroleum degraders using related mathematical models to reveal preliminary response mechanisms of rhizosphere microorganisms and provide theoretical guidance for the phytoremediation of petroleum contaminated soils.

石油污染土壤的植物修复主要是基于根系活动，特别是通过根系分泌物对根际微生物定向选择，提高与石油降解相关微生物的数量和活性来实现的。根系分泌物被认为是有机污染根际修复的驱动因子。但目前在根系分泌物的分离、鉴定等方面缺乏成熟的方法，在其对土壤中污染物降解效率及微生物的影响方面，也大多局限于总根系分泌物，而对其中起具体起作用的成分研究也较少。本项目在前期设计的根系分泌物收集装置基础上，以修复植物高羊茅为对象，研究不同品种的根系分泌物种类和含量差异，并结合其修复效率，提出可能在修复中起关键作用的组分；利用高通量测序等技术研究石油污染土壤中微生物群落，功能微生物（根际促生菌、产表面活性剂菌、石油降解菌）和功能基因等对根际环境或外加根系分泌物的响应；而后利用相关数学模型解析根系分泌物、微生物、石油降解相关功能基因及石油类污染物消解行为之间的相互关系，揭示修复过程中根际微生物的响应机制。

石油污染土壤的植物修复主要是基于根系活动，特别是通过根系分泌物对根际微生物定向选择，提高与石油降解相关微生物的数量和活性来实现的。根系分泌物被认为是有机污染根际修复的驱动因子。但目前在根系分泌物的分离、鉴定等方面缺乏成熟的方法，在其对土壤中污染物降解效率及微生物的影响方面，也大多局限于总根系分泌物，而对其中起具体起作用的成分研究也较少。.本项目实验结果表明不同品种高羊茅对石油烃污染土壤具有不同的修复效果，选择对于土壤中石油烃具有低、中和高的降解率的三个品种作进一步研究。通过根系分泌收集装置原位收集到高羊茅分泌的4种主要的有机酸分别为：棕榈酸、硬脂酸、对羟基苯甲酸和苯甲酸。结果表明，棕榈酸能够显著提高石油研究降解相关功能微生物的生长和根际促生菌在高羊茅根部定殖并促进了石油的降解，提高石油污染土壤中微生物活性和相关功能基因的数量。外源添加有机酸的衍生物（棕榈酸钠和亚油酸钠），均提高了土壤中多环芳烃的降解率。PCoA表明施肥和添加有机酸对土壤中的微生物群落影响较大。LEfSe分析发现γ-proteobacteria 中Pseudomonas、Arenimonas、 Pseudoxanthomonas和 Lysobacter 属是亚油酸钠处理的生物标记物；而Actinobacteria中的Nocardia和Rhodococcus属是棕榈酸钠处理的生物标记物。所有标记物与总多环芳烃的浓度均成线性相关；而亚油酸钠处理的4个生物标记物与LMW-PAHs均显著相关，和HMW-PAHs呈极显著相关；而棕榈酸钠处理的2个生物标记物与LMW-PAHs极显著相关。对土壤中降解PAHs相关的功能预测分析发现，棕榈酸钠和亚油酸钠处理后均显著提高了样品中多环芳烃代谢通路的丰度，且在多环芳烃降解过程中对苯环的裂解起着关键作用的C12O和C23O基因均显著上调。因此我们推测两种不同脂肪酸钠盐对污染土壤中不同种微生物的选择富集作用造成了对HMW-PAHs降解的差异，这些结果揭示了植物根系分泌物、微生物、石油降解相关功能基因及石油类污染物消解行为之间的相互关系，也为有机酸降解石油烃污染物提供了新的方向。