镉污染矿区土壤微生物淋溶修复机理研究

Cadmium contaminated mining soils in China have become a concern for society. Bioleaching is the convenient method to eliminate the Cd contamination as it is environmental friendly, natural process and inexpensive. However, most previous studies have focused on the removal efficiency of heavy metals, exactly what role the microorganisms play in cadmium morphological transformation are largely uninvestigated. This project is aimed at the bioleaching of Cd by microorganisms in mining soil. By investigating relationship between the evolution of microorganisms community and Cd speciation using the high-throughput metagenomic and metatranscriptomic sequencing and X-ray absorption fine structure（XAFS）spectroscopy, the effect of soil microorganisms in the evolution of Cd speciation will be elucidated. On the basis of that, by further studying the expression and regulation network of functional gene of soil microorganisms on the transcriptomic level, the response mechanisms of Cd activation and leaching related gene will be understood, which will elucidate the molecule mechanisms of Cd activation in the participance of microorganisms and underlay the theoretic fundament for the developing of microbial methods for Cd-contaminated mining soil remediation.

我国矿区土壤镉污染的问题已引起广泛关注。采用微生物淋溶的方法修复土壤镉污染，去除效率高，且成本低、环境相容性好，但目前该过程中微生物驱动镉的形态转化的作用机制还不是很清楚。本项目拟采用基于宏基因组和宏转录组的高通量测序技术以及XAFS光谱分析等方法，通过研究该过程土壤微生物群落变化与镉形态变化的耦合规律，揭示土壤微生物对镉形态转化的作用机制；通过研究土壤微生物与金属镉活化、淋溶浸出相关的功能基因表达调控与金属镉形态变化的关联性，阐明微生物活化金属镉的分子机理，为矿区镉污染土壤微生物淋溶修复技术的开发提供科学依据。

有色金属矿采选和冶炼是镉污染的重要来源，采用微生物技术修复土壤重金属污染成本低，环境相容性好，但修复过程关键微生物及其作用机制还不清楚。本项目在对典型矿区及周边的土壤重金属污染情况进行调查分析的基础上，对不同类型和污染程度土壤的理化性质和基于高通量测序结果的土壤微生物群落多样性进行了比较分析，结果表明Proteobacteria、Chloroflexi和Acidobacteria等与铁、硫代谢有关的微生物在矿区污染土壤中丰度更高，可能是造成自然土壤pH降低，重金属Cd溶出的微生物因素；而Rhizobia、Nitrosopumilus以及Rhizobium等在自然恢复过程中先锋植物根系的含量更丰富，可能与植物的自然定居密切相关；土壤营养元素C、N、P、K等均为影响微生物群落结构的重要因素。分离筛选了耐镉微生物21株，含细菌17株，放线菌3株，真菌1株，丰富了微生物修复菌种资源。其中菌株Acinetobacter johnsonii strain YRL5和Bacillus cereus strain YRL4不仅具有高Cd抗性，而且具有较好的有机污染物（如偶氮染料）降解能力，有望在Cd污染治理和有机-无机复合污染微生物修复中起到重要作用。以Bacillus subtilis 和Trichoderma harzianum 组成细菌-真菌复合体系对不同浓度Cd污染土壤进行处理，结果表明复合菌接种能降低土壤中有效镉的含量，消除重金属Cd对植物的不利影响，促进植株生物量的提高，且复合体系效果优于单一菌接种。而以Synechocystis sp. 与Aspergillus spp.组成的微藻-真菌共生体系同样也表现出对水溶液中Cd2+的吸附去除效率优于单一的菌株。重金属镉胁迫下Synechocystis sp. PCC6803的转录组测序结果分析表明与金属螯合蛋白、抗性金属蛋白和ABC转运体等合成有关的基因表达上调，综合TEM-EDS等分析结果表明，Cd主要以氢氧化物和碳酸盐的形态吸附固定在微生物表面，微生物的EPS在这个过程中起到了重要作用。研究结果可为重金属污染的微生物修复技术在矿山复垦和生态恢复方面的应用提供参考。