蚓触圈微生境中锑形态转化的化学-微生物学耦合调控机制

Drilosphere is the part of soil with active microbial activities, which directly affects the redox transformation and bioavailability of heavy metals, and has notable ecological and environmental importance. This project will elucidate the mechanism of earthworm driven Sb speciation transformation, focusing on the micro-habitat of the drilosphere (burrow lining, gut content, and cast) through gradient pollution control and microcosm experiment, by applying advanced technics, such as diffusive gradients in thin-films, stable isotope probing technology, high-throughput sequencing, etc.. To be detailed, this research will 1) clarify the dynamic influence on the Sb speciation and bioavailability by the “aerobic-anaerobic-aerobic alternating” environmental changes in burrow lining, gut content, and cast; 2) identify the regulatory factors that controlling the Sb(III) and Sb(V) redox transformation processes; 3) reveal the key functional microorganisms in the drilosphere engaged in the Sb(V) reduction process; and 4) demonstrate the coupling mechanism of "active organic carbon- reducing bacteria" synergistically promoting Sb reduction. The aim is to provide a novel scientific basis for understanding the multi-medium interface environmental behavior of heavy metals and theoretical support for the development of the earthworm bioremediation technology principle.

蚓触圈是土壤中活跃的反应热点，直接影响重金属的氧化还原转化过程和生物有效性，具有重要的生态环境意义。本项目以锑（Sb）为研究对象，蚓触圈（蚓穴壁、肠道内容物、蚓粪）微生境为切入点，设立梯度污染控制实验和微宇宙模拟实验，利用薄膜扩散梯度技术、稳定性探针技术、高通量测序等方法，研究蚯蚓驱动土壤中Sb形态转化过程的调控机制。本项目旨在明确蚓穴壁、肠道内容物、蚓粪的“好氧-厌氧-好氧”交替环境变化对Sb形态和有效性的动态影响规律；探明强化Sb(Ⅲ)、Sb(V)氧化还原转化过程的调控因子；揭示蚓触圈中参与Sb(V)还原过程的关键功能微生物；阐明“活性有机碳-锑氧化还原菌”协同促进锑氧化还原转化的化学-微生物学耦合作用机制。为理解重金属的多介质界面环境行为提供新的科学依据，并为发展和完善以蚯蚓为核心的土壤生物修复技术原理提供理论支撑。

重金属锑（Sb）带来的环境污染问题日益突出。本研究在探究不同价态锑对蚯蚓毒性效应基础上，阐明急性及慢性Sb毒性的差异，及其和Sb生物有效性的关系；利用16SrRNA测序技术，研究蚓触圈生境的“好氧-厌氧”交替体系下，Sb(III)和Sb(V)单一和复合作用对蚓触圈微生物群落结构和功能的影响；结合代谢组学，揭示Sb(III)的价态和形态转化过程中代谢产物整体响应，全面评估Sb对土壤生态系统潜在风险，为发展和完善以蚯蚓为核心的土壤生物修复技术原理提供理论支撑。结果表明：. 1.“世界锑都”锡矿山地区土壤中，Cr、Zn、Cd、Pb、As、Hg和Sb共7种潜在毒性元素的平均浓度大于湖南省土壤背景值，尤其是Sb、Hg、As。Cd、Zn、Pb、Hg、Sb主要从采矿及其他工业和人类活动中释放，Cr、As主要受成土母质的影响。口服摄入是主要的非致癌和致癌风险暴露途径，锑矿的开采和冶炼过程已对当地人们的健康产生了负面影响。. 2.剂量-效应关系表明，Sb(III)对蚯蚓的毒性大于Sb(V)，蚯蚓死亡率的LC50值随着老化时间的延长而降低。老化后水溶性Sb浓度的降低可降低蚯蚓的死亡率、回避反应和减少病理异常。. 3.在Sb(III)和Sb(V)单一和复合胁迫下，蚯蚓体内金属硫蛋白含量增加，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽转硫酶活性也呈升高趋势，Sb(III)和Sb(V)诱导的联合毒性作用更为显著。低浓度水平下，Sb(III)和Sb(V)之间呈现协同作用，高浓度下则二者之间出现拮抗作用。蚓触圈与非蚓触圈基质的微生物群落结构具有明显差异，在Sb(III)单一胁迫下，穴壁土的优势群菌和未扰动土壤一致，Sb(III)和Sb(V)复合胁迫下，穴壁土的优势群菌和肠道内容物的优势群菌趋于一致。. 4.蚯蚓扰动下的“好氧-厌氧-好氧”交替环境，使锑的价态和形态发生了显著改变。土壤中Sb的存在形态以残渣态为主，交换态锑的含量最低，蚯蚓肠道中锑则以交换态和碳酸盐结合态为主。且土壤中的Sb(III)大量转化为Sb(V)。蚯蚓体内的蛋白质消化吸收途径，氨基酰基-tRNA生物合成和苯丙氨酸代谢过程均受到抑制，可能和Sb(III)在蚯蚓体内的形态转化相关。