基于宏基因组学的铬污染土壤微生物群落结构与功能研究

Chromium pollution is of uppermost priority of soil heavy metals pollution, and it is the focus to study the effect of heavy metals pollution on microbial ecology of soil, while currently there still has none any report on the microbial metagenomes of Cr(Ⅵ)-contaminated soil. In this project, we will study the typical Cr(Ⅵ) pollution of soil in Hunan and carry out risk assessment. The structure and function of microbial communities in the Cr(Ⅵ)-contaminated soil will be explored by metagenomics. Then metagenome of the Cr(Ⅵ)-reducing microbial communities will be studied to elucidate their pathway of Cr(Ⅵ)-reduction and mechanisms of energy utilization. Novel Cr(Ⅵ)-reducing bacterial strains will be expected to be isolated by new culture formula basing on the upon metagenomics study. Then genomes of novel strains will be sequenced and analyzed to reveal their Molecular genetic characteristics. The implement of the this project will disclose the response of microbial ecology to Cr(Ⅵ) pollution at the molecular level. This work is also very promising and meaningful in cognizing the diversity of Cr(Ⅵ)-reducing microbes and development of in situ rehabilitation technologies of soil heavy metal pollutions.

Cr(Ⅵ)污染是土壤重金属污染的重中之重，重金属污染土壤的微生物生态效应是研究的焦点，但目前没有Cr(Ⅵ)污染土壤微生物宏基因组学研究的报道。项目拟以湖南典型Cr(Ⅵ)污染土壤为对象，研究土壤重金属污染状况并进行风险评估；通过对Cr(Ⅵ)污染土壤微生物宏基因组的研究，揭示Cr(Ⅵ)污染土壤中的微生物群落结构与功能；将流式细胞分选技术与宏基因组学相结合，解析土壤中Cr(Ⅵ)还原菌群宏基因组，阐明Cr(Ⅵ)还原途径和能源利用机制；分离培养新的Cr(Ⅵ)还原菌并对新菌进行基因组测序和解析，来揭示Cr(Ⅵ)还原菌的分子遗传特征。本课题的开展实施，将在分子水平上揭示Cr(Ⅵ)污染土壤环境中微生物生态效应，对进一步认识Cr(Ⅵ)还原微生物的多样性、开发基于微生物Cr(Ⅵ)还原钝化的土壤原位修复技术等方面具有重要的科学研究意义和潜在应用研究价值。

土壤铬污染已成为备受关注的环境问题之一。本项目以湖南长沙地区某典型铬渣填埋区域附近土壤为研究对象，探讨了铬污染土壤的基本特征,采用Illumina MiSeq测序等技术揭示了不同深度微生物群落结构与环境因子的关系,选育了20株高效铬还原细菌并研究了其铬还原特性，阐明了四种菌的Cr(Ⅵ)还原机理。.研究结果表明，铬渣堆填埋区域内土壤pH值均呈碱性，土壤总铬，Cr(Ⅵ)、Mn、Zn、Ni和Fe 等元素含量远远超出国家土壤环境质量标准。发现铬污染土壤的微生物群落中优势菌群为Proteobacteria，Actinobacteria，Bacteroidetes和Firmicutes门的微生物，且在不同深度具有显著差异分布，土壤理化性质与优势菌群的丰度存在显著相关性。四株铬还原细菌Cr(Ⅵ)去除机理研究发现，pH值、温度、初始Cr(Ⅵ)浓度、不同电子供体及重金属离子对细菌的Cr(Ⅵ)去除有一定的影响，Cr(Ⅵ)去除过程中吸附作用较弱，主要通过还原作用；Z.denitrificans Y1的Cr(Ⅵ)还原酶大部分位于细胞质内，同时细胞膜上也存在部分Cr(Ⅵ)还原酶，而O.oncorhynchi W4的Cr(Ⅵ)还原酶主要位于细胞膜上，P.saccharolyticum W5和 Bacillus sp.6.1-1细胞膜上和细胞质内均存在Cr(Ⅵ))还原酶。扫描电镜及能谱分析结果表明，Cr(Ⅵ)的还原产物在四种菌细胞表明形成大量沉淀物质。透射电镜及能谱分析结果表明，O.oncorhynchi W4在与Cr(Ⅵ)接触的过程中Cr(Ⅵ)未被运输进细胞，而P.saccharolyticum W5和 Bacillus sp. 6.1-1在与Cr(Ⅵ)接触的过程中，Cr(Ⅵ)被运输进细胞并在细胞内被还原成Cr(Ⅲ)。X射线光电子能谱结果表明，O.oncorhynchi W4的C-H或C-C键以及羰基和羟基与Cr(Ⅲ)发生了相互作用，P.saccharolyticum W5和Bacillus sp. 6.1-1中Cr(Ⅲ)与羧基和羟基形成复合物，三种菌细胞表面N元素对应的N-H键、CONH-键和C-NH2键都没有参与Cr(III)的作用。.本课题已有发现对揭示铬污染土壤中微生物群落相应机制以及Cr(Ⅵ)生物还原机理具有重要的意义。