食用菌菌渣修复多环芳烃污染土壤的微生物学机制研究

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are persistent organic pollutants that widely distribute in soils, and may pose environmental and health risks especially in some heavily contaminated areas. Spent mushroom substrates (SMS) are byproducts of mushroom industry and can efficiently reduce soil PAHs, thus are promising in bioremediation of PAHs-contaminated soil. SMS have abundant microorganisms and complex nutrient components, resulting in their multiple effects on PAHs-degrading activity in soil. As such, the microbial mechanism of SMS bioremediation is still less known until recently. In this project, PAHs in SMS-amended soil microcosms will be determined and the best SMS in terms of PAHs dissipation will be selected for further microbial study. The succession of SMS-introduced and indigenous microbial communities will be monitored by pyrosequencing and molecular community analysis, the transcription of PAHs degradation genes of fungi and bacteria will be analyzed as well. The relative roles of SMS-introduced and indigenous microorganism, and of fungi and bacteria can be estimated when link the dissipation of PAHs to microbial community dynamics. Stable isotope probing will be used to identify the active PAHs-assimilating microbes by adding universally labeled 13C-PAHs into soil microcosms. The aim of this study is to understand the microbial mechanisms of SMS bioremediation of PAHs-contaminated soil, thus facilitate the application of SMS in soil remediation.

多环芳烃是广泛存在于土壤中的持久性有机污染物，具有潜在的环境健康风险。食用菌菌渣来源充足、价格低廉，可以有效降低污染土壤中的多环芳烃含量，是极具应用前景的生物修复剂。但是，菌渣含有大量微生物，物质组成复杂，对多环芳烃的降解可能具有多方面的刺激效应，其修复土壤的微生物学机制尚不明确。本项目通过设立室内培养试验，首先比较不同品种食用菌菌渣对多环芳烃污染土壤的修复效果；在此基础上采用高通量测序等分子生态研究方法，揭示修复过程中外来及土著微生物的演替规律，分析真菌及细菌关键降解基因的表达活性，结合多环芳烃的含量及组成变化，阐明不同来源、不同门类微生物与多环芳烃降解的对应关系；合成13C全标记的多环芳烃，利用稳定同位素探针技术，分析土壤中多环芳烃活性降解菌组成情况，明确菌渣修复中的关键微生物。本研究可望阐明食用菌菌渣修复多环芳烃污染土壤的微生物学机制，为菌渣修复的推广应用奠定坚实的理论基础。

多环芳烃（PAH）是广泛存在于土壤中的持久性有机污染物，具有潜在的环境健康风险。食用菌菌渣来源充足、价格低廉，可以有效降低污染土壤中的多环芳烃含量，是极具应用前景的生物修复剂。但是，菌渣的物质组成复杂，促进多环芳烃降解的机制不明。围绕这一科学问题，本项目开展了以下研究工作：(1) 采用碳-14示踪技术，对食用菌菌渣及菌渣主要成分，包括木质素、秸秆、牛粪、白腐真菌等的土壤修复效果进行分析，发现木质素促进PAH矿化为CO2及吸附至土壤有机质，是菌渣修复中的最有效成分；(2) 以菌渣主要成分木质素、修复植物黑麦草与生物表面活性剂鼠李糖脂为修复剂，建立不同组合的盆栽试验，对南京某PAH长期污染的农田土壤进行修复试验，并分析植物和微生物的相对贡献。结果表明：与单一修复手段相比，木质素、黑麦草、鼠李糖脂三者联合可以实现41.7%的PAH总量降低；植物直接吸收对PAH消减的贡献很小，根际微生物作用是去除污染物的主要机制；木质素增加土壤微生物数量，改变微生物群落组成，导致子囊菌等特定微生物富集，形成联系更为紧密的微生物网络结构。(3) 选择南京某PAH污染农田土壤，开展了以13C-蒽为底物的DNA-SIP研究，高通量测序分析显示，添加木质素处理中，分枝杆菌（Mycobacterium）在重层DNA中被富集，表明Mycobacterium可能是木质素存在下该受试土壤中重要的PAH降解菌。(4) 以土壤硝化过程及相关微生物为终点，对PAH真菌转化中间产物之一醌类的生态毒性进行了分析，发现与苯并[a]蒽相比，苯并[a]蒽-7,12-二酮对于土壤氨氧化奇古菌抑制程度更高，提示对菌渣修复过程污染物毒性变化进行监测的必要性。除上述研究之外，还对PAH污染的微生物生态效应、农田土壤中PAH的环境归趋开展了有益的探索。这些研究结果，明确了菌渣各组分的土壤修复贡献，揭示了木质素对土壤微生物群落的深远影响，证实了木质素作用下Mycobacterium在土壤PAH降解中的活性，并发现木质素联合黑麦草、鼠李糖脂具有较好的污染土壤修复潜力，为相关修复技术的推广应用奠定了理论基础。