溢油沉积物中微生物功能种群演替及其与石油降解进程耦合机制

Increasing oil spill is believed to considerably reduce ecosystem services in contaminated areas. Oil and oil residues ground on shorelines will finally precipitate in the sediments and last for decades. In this proposed research, we will combine advanced molecular ecology technologies such as 454 sequencing, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and real-time quantitative PCR (RT-qPCR), and DNA-stable isotope probing (DNA-SIP) to investigate: (1) the dynamic changes of functions and diversity of microbial community in contaminated sites and the linkage between microbial diversity or genetic diversity and geochemical characteristics; (2) the relationship between functional genes, microbial functional groups and ecosystem functions; (3) the role of key microorganisms in the metabolism of certain petroleum hydrocarbons in the oil-contaminated sediments. The results of this study will provide theoretical and methodological foundation for environmental risk assessment and bioremediation in contaminated sites.

微生物群落对于溢油长期响应的结构变化是溢油污染环境体微生物生态研究的关键科学问题之一，对于溢油污染环境体生物修复工程方案的制定与实施具有重要理论和实践指导意义。本项目将以大连7.16溢油事故为背景，应用454测序、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、实时定量PCR（RT-qPCR）、稳定同位素探针（DNA-SIP）等现代分子生物学技术，并结合石油组分、沉积物理化指标特征，从时间序列上通过对溢油污染海域沉积物中微生物群落结构多样性、活性及其演替规律的研究，揭示区域微生物群落对于7.16溢油后长时间序列响应的结构变化，优势功能菌株的作用机制，以及与沉积物中石油降解效应的耦合关系，最终为区域生物修复进程监控和石油污染环境修复工程实施提供技术支持和理论指导。

海上油气勘探与运输迅猛发展，由此导致的溢油风险也将长期处于高位。沉积物中微生物种群多样性、丰度和演替及长期响应是评价石油污染对近海生态功能影响的重要指标。本研究以大连湾溢油污染沉积环境为主要研究对象，结合原位连续跟踪采集分析与微宇宙模拟实验，应用宏转录组、克隆文库、实时定量 PCR、硝化活性测定等现代生物学技术，结合石油组分、沉积物理化指标特征，耦合有机污染物代谢机制和关键微生物分析，探究了溢油污染后长时间序列微生物群落结构演替的一般特征，取样深度和pH是剖面微生物群落结构的最大影响因子。岸滩微生物群落演替规律与岸滩溢油组分变化耦合，短时间序列，岸滩潮上带溢油降解迅速，52 d内饱和烃和芳香烃基本降解完全，芳烃萘系物出现明显降解，对比短期自然修复，溢油两年后，芳烃的降解依然非常少，暗示大量残油沉积并不断向深层渗漏。自然修复过程中参与氮循环的各关键基因中，一些低氧条件下的氮转化过程在溢油和非溢油环境中相差不大。对于需氧反应，溢油促进固氮作用的发生，抑制硝化作用相关基因的活性。氨氧化过程受到溢油影响较大，沉积物中AOA生物量相较于AOB占据更大优势。而且，首次研究蓝藻对不同浓度原油的响应机制，探究蓝藻群落结构变化，并验证其爆发机理，证实了溢油环境中氮素缺乏为蓝藻爆发主要诱导因素，为溢油生物修复过程如何避免外界干扰引起二次污染提供了理论依据。