珠江流域典型重金属超标农田土壤胁迫与有机养分转化的微生物学机制

Understanding the mechanism of soil organic nutrient cycling mediated by microorganism under the heavy metal stress condition has an important significance for the safety and efficient utilization of polluted farmlands. Chemical sequential extraction, X-ray diffraction and DONNAN membrane technologies are applied to investigate the spatial-temporal distribution and adsorption-desorption kinetics of different heavy metal fractions in five typical heavy metal polluted farmlands in the Pearl River basin (the North River), which can help to evaluate the influence of heavy metals on the transformation of soil organic carbon, nitrogen and phosphorus, the microbial community, and the functional gene expression. Stable isotope probing and DNA fingerprinting technologies (DNA-SIP) are employed to establish the in-situ identification technology of key functional microorganisms responsible for the ammoxidation under heavy metal stress condition, in order to clarify the effect of heavy metal pollution on the microbial community structure of ammonia-oxidizing bacteria, and to disclose the species and functional gene of the ammonia-oxidizing bacteria under heavy metal stress condition. These provide theoretical supports for relieving the heavy metal pollution stress on the soil organic nutrient cycling and developing a safe control technology for utilization of the metal polluted farmlands.

明晰重金属胁迫条件下微生物介导的土壤有机养分循环机制,对实现污染超标农田安全高效利用具有重要意义。本研究以珠江流域(北江)五种典型重金属超标农田为研究区域, 利用连续分步化学浸提、X光衍射和DONNAN膜技术，研究土壤重金属形态的时空变异规律和金属离子的吸附解吸附动力学过程，据此分析重金属胁迫对土壤有机碳、氮和磷等有机养分的转化规律及其微生物类群和功能基因表达的影响，探明珠江流域超标重金属农田土壤有机养分转化过程中的主要微生物种类及其水解酶功能基因。以土壤氮循环的氨氧化过程为重点，将稳定同位素探针与基因指纹图谱技术相结合（DNA-SIP），建立重金属胁迫条件下介导氨氧化过程的关键功能微生物的原位鉴定技术，明确重金属污染对氨氧化细菌群落结构的影响，深度发掘不同重金属胁迫下关键氨氧化细菌种类和功能基因。为缓解土壤有机养分循环的污染胁迫，建立边生产边治理的重金属超标农田安全利用技术提供理论支撑。

通过野外采样调查和实验分析，对粤北江流域四个典型污染区域36个采样点水稻根际土壤以及水稻各器官中的重金属（Cu、Cd、Pb、Zn）含量、分布特征和相关性进行了研究；调查分析了不同重金属污染水平下的水稻田土壤有机碳活性组分的含量，以评价重金属胁迫条件下有机碳基质的微生物有效性；通过研究土壤有机碳、氮和磷等有机养分转化过程中相关微生物、酶和矿化速率等指标，阐明典型污染区重金属胁迫条件对有机养分转化的影响；利用DGGE基因指纹图谱技术，研究重金属污染对微生物群落结构和多样性、功能微生物种类的影响。结果表明：水稻各器官对重金属的累积总体表现为：根>茎>叶>籽粒。水稻对Cu、Cd、Pb、Zn的生物富集系数大小为：Cd>Cu>Zn>Pb，生物转运系数大小为：Zn >Cd>Cu >Pb。韶关发电厂区DTPA态Cd和大宝山重金属DTPA态Cu、Cd、Pb、Zn与全量之间呈极显著正相关关系。两个地区Cd的形态分布都以可交换态为主，大宝山黄铜矿典型污染区水稻根际土中Cu、Pb、Zn主要以残渣态存在。土壤全量、各形态的重金属对水稻籽粒中的重金属含量的影响随金属种类的不同表现出一定的差异性。重污染水稻土的总有机碳（TOC）、0.5M K2SO4溶解态有机碳（K2SO4-C）、微生物生物量碳（MBC）、1-7 d（CO2-C1-7d）和8-28 d矿化的有机碳（CO2-C8-28d）的含量均显著低于轻污染土壤（P<0.001）。碳有效性指标中，微生物商（MBC/TOC比）和8-28 d的有机碳矿化率（CO2-C8-28d/TOC/d）在轻污染土壤中较高，而K2SO4-C/TOC和代谢商（qCO2）在重污染土壤较高（P<0.001）。将稳定同位素探针技术（DNA- SIP）和DGGE、T-RFLP等分子指纹图谱技术相结合，建立了功能微生物的原位观测技术。通过对土壤DNA提取，超高速密度梯度离心分离，DGGE、T-RFLP分子指纹图谱鉴定等流程的参数优化，分离获得13C标记的基因。通过DGGE和T-RFLP方法，构建了分子指纹图谱。