土壤锑砷复合污染对微生物的生态效应及分子机制

Antimony has become a global and emerging contaminants. China is the world's leading producer of antimony, its reserves and production are the highest in the world. Environmental accidents for antimony pollution occurred frequently in China. This project focus on the ecological effects of the soil antimony pollution, and the combined antimony - arsenic pollution in a typical antimony mine area. Through field investigation and laboratory analysis of simulation experiments,and combining metagenomics / high-throughput sequencing technology and methods,the aims of this study are: (1) to study the effect of the soil antiomny pollution, and combined antimony and arsenic pollution on the soil microbial biomass, community structure and function genes characteristic; (2) to study the effect of antimony, and combined antimony-arsenic pollution on the soil microbial enzyme activity, biochemical processes and molecular mechanisms; (3) to try to establish qualitative and quantitative relationship between antimony or combined antimony - arsenic pollution and soil microbial biomass, enzyme activity, biochemical parameters and (4) to derive the non observed effect concentration (NOEC) and the low observed effect concentration (LOEC ) for antimony, and combined antimony-arsenic pollution to soil microorganism,and to screen sensitive microorganisms and indicators. This study can provide basic data for the risk assessment, for the establishment of ecological effects thresholds and soil criteria, and provide guidance for pollution prevention and remediation of soil antimony pollution.

锑已经成为全球性（global）、新型（emerging）污染物。中国是世界主要锑生产国，其储量和产量均为世界之最，环境中锑污染事故频发。本项目以我国典型锑矿区为研究案例，针对突出的土壤锑及伴生性砷等复合污染问题，通过现场调查分析和室内模拟实验，结合宏基因组学/高通量测试等现代科学技术手段和方法，重点研究锑及锑砷复合污染对土壤微生物量、群落结构特征及功能基因的影响、对土壤微生物酶活性和生化过程影响及分子机制，建立锑及锑砷复合污染与土壤微生物量、酶活性、生物化学等参数之间的定性和定量关系，试图推导锑及锑砷复合污染土壤微生物无可见效应浓度（NOEC）和最低可见效应浓度（LOEC），筛选敏感性指示微生物和指标。为锑及锑砷复合污染土壤风险评价、生态效应阈值和土壤基准的建立提供基础数据，对土壤锑污染防治和修复具有指导意义。

本研究考察了典型锑矿区不同锑砷污染程度土壤中微生物群落结构属性及其影响因子，并通过外源添加模拟实验和高通量测序技术研究了锑对不同类型土壤中微生物（细菌、真菌、古菌）群落结构的影响及分子机制。. （1）锡矿山锑矿区土壤的基本呼吸速率与土壤中总锑浓度（TSb）、梯度扩散薄膜提取的锑浓度均呈显著正相关，表明Sb能够促进土壤的基本呼吸速率。不同土壤样本中，微生物群落结构差异显著，较低的土壤pH（<5）能够降低细菌、真菌及古菌群落多样性。. （2）不同类型土壤中菌群多样性受土壤质地及pH影响，细菌群落多样性与土壤pH、TN含量呈正相关关系，而与粉粒含量呈负相关关系。高浓度的锑显著降低细菌群落多样性，改变其群落结构组成，显著降低与N循环相关的亚硝化菌和硝化菌的相对丰度，提高Fe（II）氧化菌，以及与有机物降解相关的Sphingomonas和Variovorax的相对丰度。改变真菌群落结构在各个分类学水平上的组成，导致一些敏感菌群的相对丰度降低。对古菌群落结构差异性解释度最高的为土壤质地（Silt、Sand含量），其次为TSb、pH、CEC。. （3）土壤微生物生物量碳、呼吸作用、荧光素二乙酸酯酶活性、脲酶活性与锑砷污染显著负相关 (p < 0.05)，与土壤有机质含量正相关(p < 0.05)；潜在硝化速率和氨氧化细菌丰度与总Sb没有显著相关性，但与有效态Sb存在显著的负相关 (p < 0.05)；土壤酸性磷酸酶活性、氨氧化细菌和氨氧化古菌的比值与土壤pH值存在显著的负相关 (p < 0.05)。在矿区土壤环境条件下微生物指标受到重金属及土壤理化性质等的综合影响。. （4）在模拟培养条件下，Sb(III)和Sb(V)均影响了微生物生物量碳和呼吸作用，对不同类型酶活性的影响不同。抑制荧光素二乙酸酯酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，但对脱氢酶和β-葡萄糖苷酶活性影响较小。降低土壤中细菌的多样性，还影响细菌群落组成，抑制土壤中潜在的硝化速率，影响土壤中氨氧化细菌和氨氧化古菌的丰度，影响了氨氧化细菌在种和属水平上的群落结构，对土壤中氨氧化古菌的群落结构的影响较小。