土壤产电信号与土壤微生物功能和回复力的相关性及机理研究

Soil microbial function and the functional resilience are indicators of soil health. The resilience refers to the ability of a function to recover from disturbance. Due to the lack of reliable methods of continuous online monitoring for soil microbial functions, the dynamic variation of functions is hardly detected. Microbial fuel cells (MFCs) are devices in which bacteria create electrical power by oxidizing organic matter. It has been reported that the current or voltage can be a signal that monitor the activity of electrogenic bacteria and the toxicity of pollutants. In the present study, we hypothesize that the activity of soil electrogenic bacteria is closely correlated with that of the soil microbial community, thus the current produced by soil electrogenic bacteria can be used to monitor the soil microbial functions and functional resilience. In this project, the MFCs are used for soil to generate current. The soil redox potential, the electron shuttles, salinity, soil pH and microbial diversity, as well as the operational parameters of MFCs are major factors that affect the electrical signals. We aim to 1)test the consistency between electronic signals and soil microbial functions and its resilience, 2)illustrate the mechanisms that the electronic signals can detect the microbial functions and functional resilience from the view of resistant genes and community diversity and functional diversity of soil electrogenic bacteria and soil microbial community.

土壤微生物功能及其回复力是土壤健康的重要指标。回复力指胁迫后功能回复到原有状态的能力。土壤微生物功能和回复力的传统检测方法不能实现连续在线检测，难以及时反映功能的动态变化。微生物燃料电池（MFC）能将产电菌分解有机质产生的电子，通过电极搜集并传递给电子受体并形成电流。已有报道MFC产电信号可连续在线监测污染物毒性和产电菌活性。本研究假设土壤产电菌活性与整个微生物群落活性存在一致性，电压和电流信号可监测土壤微生物功能及其回复力。本研究将MFC作为土壤产电装置。土壤氧化还原电位，电子穿梭体，盐度，土壤pH和微生物多样性以及MFC运行参数是影响产电信号的重要因素，本研究首先揭示不同因素条件下土壤产电信号与土壤微生物功能和回复力的一致性。从抗铜基因、细菌群落多样性和代谢多样性的角度阐明细菌产电信号指示土壤微生物功能及回复力的机制。本研究意义在于发展一种连续在线监测土壤微生物功能及其动态变化的技术。

【项目背景】产电细菌是一类能够将电子传递到胞外的微生物。它们通过分解有机底物产生电流。产电细菌产生的电流可用于反映废水毒性或BOD浓度。土壤作为微生物的大本营，含有多样性的细菌，其中包含产电细菌。那么土壤中的产电细菌所产生的电流或电压能否用于反映土壤微生物的整体活性或功能？是否对土壤污染有响应并可以用于指示土壤污染？要回答这两个问题，首先弄清土壤产电受哪些因素的影响？土壤产电细菌组成是什么？ .【研究内容】1、阐明影响土壤产电信号（电压峰值、产电量和产电启动时间）的主要因素以及土壤产电的环境影响。2、土壤产电细菌的分离培养鉴定以及多样性研究。采用厌氧培养的方法分离培养不同土壤中的产电细菌，再通过16S rRNA基因测序、生理生化和形态鉴定对产电细菌菌种进行鉴定，并检测产电细菌的电化学性质。3、研究土壤产电信号及其与土壤传统功能指标（脱氢酶活性、底物诱导呼吸强度、碳源利用图谱）的关系，以及土壤污染、土壤产电信号及土壤传统功能指标三者之间的关系及其机制。4、土壤产电信号的回复力。主要研究土壤产电信号对土壤Cu2+污染的动态响应特征，并从Cu2+的老化和抗性基因copA丰度变化的角度解释产电信号回复的机制。.【重要结果】1、明确土壤有机质是影响土壤产电信号最主要的因素。而电子穿梭体（铁、腐殖质）含量虽然与土壤产电信号存在显著的相关性，但是其影响弱于土壤有机碳和pH。2、从土壤中发现两株广泛分布的产电细菌新种，经测序和生理生化鉴定，确认为Clostridium bifermentans和Clostridium sporogenes。这两株菌保藏于国家菌种保藏中心并获得登记号：CGMCC1.5211和CGMCC1.5212。3、明确了土壤产电信号与土壤传统功能指标之间存在显著的相关关系。随着土壤污染物浓度增加，产电电压峰值和电量减少，产电启动时间延长。4、受Cu2+污染胁迫后，土壤产电电压持续回复，同时活性Cu2+的不断老化、浓度降低，阳极碳毡上copA/16S rRNA基因丰度比例高于对照。表明污染物老化和产电细菌抗铜能力的形成是促进土壤产电信号回复的重要原因。.【科学意义】土壤产电信号作为一种潜在的指示土壤微生物功能和活性，以及指示土壤污染的指标，具有不耗能、无污染和信号实时连续的优点。本研究项目意义在于为发展这一绿色、新型的土壤检测技术提供可靠的理论和实践依据。