外源砷胁迫下土壤中氨氧化细菌和古菌群落的响应机理

Arsenic (As) is a toxic metalloid element ubiquitous in nature. Exogenous arsenic can lead to the changes of microbial community structure and function when it is released to the soil. Ammonia oxidizing bacteria and archaea are important function microorganism in nitrogen cycling process and also sensitive to arsenic contaminant. However, there is little information about the response mechanisms of ammonia oxidizing bacteria and archaea when are stressed by exogenous arsenic in different environmental conditions. Therefore, we will investigate arsenic availability and its effects on soil nitrification potential when ammonia oxidizing bacteria and archaea are stress by exogenous arsenic in microcosm incubation experiments. Terminal restriction fragment length polymorphism, quantitative PCR, mRNA transcription analysis, cloning and sequencing are used to compare the changes of ammonia oxidizing bacteria and archaea community in gene and transcript gene level. Consequently, we will reveal the effects of soil type, soil moisture, arsenic levels and other factors on the ammonia oxidizing bacteria and archaea community structure, quantity and activity under exogenous arsenic stress. Meanwhile, the pot experiments are also used to explore the changes of ammonia oxidizing bacteria and archaea community structure, function and the restore characteristic under long and short exogenous arsenic stress time within the plant growing periods. Finally, all finding of the experiments will help to provide the scientific basis to illustrate the changes of ammonia oxidizing microorganism community function and adaptive mechanism under farmland arsenic stress conditions.

砷是自然界中普遍存在的剧毒类金属元素，外源砷进入土壤将导致微生物群落结构和功能的改变。氨氧化细菌和古菌是土壤氮循环过程中重要的功能微生物，易受砷污染影响，但目前关于外源砷胁迫下土壤中氨氧化细菌和古菌群落响应机理等方面的研究较少且缺乏系统性。本项目以土壤氨氧化细菌和古菌为对象，通过室内培养试验，研究外源砷在土壤中有效性变化及其对土壤硝化潜力的影响，并利用末端限制性片段多态性分析、定量PCR、mRNA转录分析和克隆/测序等方法从基因和转录水平上分析土壤氨氧化细菌和古菌群落的变化，揭示外源砷胁迫下土壤类型、土壤含水量、砷浓度等要素对土壤中氨氧化细菌和古菌群落结构、数量和活性的影响规律。同时，应用盆栽试验，探讨短期和长期砷胁迫土壤中氨氧化细菌和古菌在作物生育期内群落结构和功能的变化及其恢复特征，为明确农田砷胁迫条件下土壤氨氧化微生物功能变化及群落适应机制等提供科学依据。

氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）是氮循环过程的限速微生物，也是受不利环境影响反应较灵敏的生物指示者。砷具有较高的生物毒性，可显著影响土壤中氨氧化过程。本项目系统研究了外源砷进入7种类型土壤后有效性和各结合态的变化及其对土壤氨氧化潜力的影响和AOB、AOA的群落响应特征；并比较了作物种植模式下土壤中AOB和AOA的群落恢复特征。揭示了AOB和AOA对砷胁迫具有不同的群落适应机制。主要研究成果如下：1）外源砷进入7种土壤后，其有效性随砷胁迫时间的延长逐渐降低，准二级动力学、双常数和Elovich方程均可以很好地拟合该变化过程。砷与土壤五种结合形态的变化受土壤理化性质影响显著，总体趋势是由F1、F2向F3、F4和F5结合态转化。2）7种土壤中氨氧化潜力差异显著，IDS中最高，在0.92-3.11 NO3- g-1 soil h-1之间。受砷胁迫后CS、BS、IDS和PS中氨氧化潜力有显著升高趋势，但在BNS和RS2中变化较小。3）不同类型土壤中AOB的优势种群差异显著，但受砷胁迫后仅PS土壤中群落组成变化显著，其余几种土壤变化较小。砷胁迫30和90天后，7种土壤AOB群落单独聚类，主要受有效态砷、pH值、CEC、土壤有机质、速效氮、游离态氧化铁和粘粒含量影响。4）7种土壤中AOB数量差异显著，IDS中最高。在CS、BS、RS2、PS中，砷胁迫显著降低了AOB的数量，而BNS、RS1和IDS中，培养的前90天砷胁迫则显著促进了AOB的数量。5）不同类型土壤中AOA优势种群差异显著，受砷胁迫后7种土壤中AOA群落组成均变化显著，主要受有效态、F1和F2结合态砷含量的影响。6）7种土壤中AOA数量差异显著，IDS和CS中较多，BNS中较少，相差两个数量级。除PS外，砷胁迫均显著促进了土壤中AOA的数量。7）小油菜盆栽试验显示，砷胁迫时间越长的土壤中，土壤有效态砷含量越低，地上和地下部分砷含量越低，小油菜的生物量越高。8）在作物种植模式下，砷胁迫时间对AOB和AOA的群落组成影响较小，而对AOB和AOA的数量影响显著。综上所述可知，外源砷胁迫后土壤中AOB和AOA具有不同的群落适应特征，两者在功能活性上互补，共同驱动土壤氮素循环过程。.研究成果共发表SCI论文2篇，中文核心期刊论文1篇，2015年发表在EP（影响因子5.099）上的论文目前已被引用17次，得到国际同行高度关注