红树根际微生物介导硫循环驱动重金属高效修复的生态学机制研究

The mediation of microorganism play a major role in the coupled metabolic cycle of sulphur and heavy metals. Our preliminary studies about the coupling between rhizosphere and cadmium showed that immobilization, absorption and adsorption efficiency of Cd may rely on S cycle driven by microorganism in the mangrove. Meanwhile, we incorporate previous reports and conjecture that sulphur bacteria may play a critical role in ecological remediation of mangrove ecosystem with heavy metals contamination. Firstly, assess the diversity of microorganism by metagenomics method and fit sulphur cycling dynamical model by FTRs technology in the typical heavy metals contamination mangrove sediment; then according to the feedback of the two，uncover the coupling effect of microbial communities and sulphur cycle on the heavy metals in mangrove rhizosphere, and analyze and identify the relevant functional bacteria. Simulate the microenvironment of the rhizosphere sediments with heavy metals pollution, inoculate the target strains in the sediment, and then demonstrate the effects of sulpher metabolism on the occurrence form, transformation and metabolism of heavy metals under the coupling between microorganism and roots in plant-soil interface. It is the final purpose to reveal the high-efficiency remediation effect of sulphur bacteria on heavy metals pollution and their utilization potentiality. This project will illuminate the ecological mechanism of sulphur bacteria regulating surlfur cycle and realizing high-efficiency remediation of heavy metals, and then provide scientific theory or practice foundation for the protection and remediation of polluted mangrove.

微生物的介导作用对硫和重金属偶联的代谢循环与迁移至关重要。我们对红树根际耦合镉的研究发现红树林对镉的固定、吸收和吸附等效率可能依赖于微生物驱动的硫循环。结合现有报道我们提出假设：硫代谢菌对实现红树林湿地中重金属污染的高效修复具有关键作用。本项目拟针对典型重金属污染的红树林湿地，利用宏基因组手段测定微生物群落结构多样性，同时通过FTRs技术拟合硫循环动力学模型，根据两者反馈关系，认识红树林根际微生物群落及硫循环对重金属污染修复的偶联作用，并进行相应功能菌分析与分离鉴定。通过模拟重金属污染的根际微环境与目标菌株反接种，揭示目标菌株与根系偶联作用下的硫循环对重金属在根土界面形态赋存与代谢的影响，实证目标菌株对重金属的高效修复作用与应用潜力。本项目的顺利开展可阐明硫代谢菌驱动硫循环实现重金属高效修复的生态学机制，且为受污染红树林的保护与修复提供科学的理论依据与实践基础。

受到微生物介导的硫元素形态变化对滨海湿地重金属生物地球化学循环起到关键作用。研究分析了过去四十年来发表的湿地生态系统数据，并从湿地生态系统的四大组成部分(沉积物、根际、微生物和植被)的角度进行实验与分析。发现了滨海湿地沉积物中广泛存在Desulfovibrio vulgaris，且是一种可培养的对硫酸盐还原有极大影响的微生物，对重金属的生物地球化学循环有极大作用，其电子传递过程是改变硫元素形态赋存与迁移，并进一步介导重金属生物地球化学行为的重中之重；而电子穿梭体的来源及电子在细胞色素c-电子供体中的穿梭转移过程亦为研究的核心。进一步以Desulfovibrio vulgaris为主要研究对象，初步探索了其影响硫酸盐还原进而介导重金属污染修复的机制。此外，研究表明了在厌氧条件下，滨海湿地沉积物中潜在生物有效态重金属大多以固定沉淀形式存在，如金属硫化物。然而，物理化学条件的波动可能会影响硫循环，从而直接或间接地导致重金属的转化和迁移。在根际，根系活动和微生物（如Desulfovibrio vulgaris）共同影响S的形态和转化，而S又介导了重金属的迁移。在植物组织中，含硫化合物通过促进一系列螯合和解毒过程，增强了对重金属的耐受性。研究中，通过室内试验揭示了Cd污染红树林沉积物中S的形态分布特征，并评价根系分泌物黄酮类化合物对S的地球化学行为的影响。并通过为期6个月的温室盆栽试验，研究了S对滨海湿地植物耐Cd和生长的调节作用，阐明了在Cd胁迫下，S对植物组织Cd分布及生长的影响；揭示了S对植物解毒过程的调控机制；确定了S对滨海湿地植物成功入侵的影响。同时，研究了4种外源Fe和3种Cd浓度对红树林植物白骨壤Cd耐性的影响机制，包括植物体内的生理反应；对根系表面环境的理化影响；植物的防御行为。此外，研究了Cd胁迫下红树植物桐花树根中Cd的分布和富集情况，以探讨其解毒组织和结构。最后，为进一步了解滨海湿地中硫与重金属的相互作用，提出了未来主要的研究方向。