重金属胁迫下水稻土微生物群落和氮转化的耦合作用机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 郭一帆 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 方华军 |
| 关键词 | 土壤铜和镉污染 微生物群落 土壤氮素转化 宏基因组 水稻土 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 重金属过量积累是中国南方红壤丘陵区稻田土壤污染的主要类型之一。微生物是土壤元素生物地球化学循环和污染物转化过程的关键驱动者，明确重金属积累对微生物群落组成和功能的影响是探索水稻土污染生物修复技术的先决条件。然而，目前对重金属污染如何影响水稻土微生物群落及其介导的氮素转化过程尚未明确。本研究基于江西省泰和县仙槎河污灌区，以重金属铜（Cu）和镉（Cd）污染下的红壤性水稻土为研究对象，利用环境因子分析和16S/ITS扩增子测序等方法，研究了重金属对水稻土细菌和真菌群落的影响及其环境驱动机制；利用鸟枪宏基因组测序和微生物荧光测定方法，研究了不同重金属污染水平下微生物潜在功能和酶活性的差异及其主导因素；通过构建室内微宇宙培养实验，利用鸟枪宏基因组测序研究了重金属污染情景下水稻土氮素循环的响应特征及其微生物驱动机制。主要研究结果如下： （1）水稻土Cu和Cd的浓度沿仙槎河上游到下游逐渐降低，并且与细菌α多样性呈负相关关系。土壤Cu和Cd污染组分显著改变了细菌的群落组成，且其对细菌群落结构的影响高于土壤理化性质。土壤Cu和Cd浓度的增加导致细菌共现网络中生态模块累积相对丰度发生明显改变。细菌属AD3、HSB_OF53-F07、Rokubacteriales和Nitrospira的相对丰度与土壤Cu和Cd浓度呈显著正相关关系，说明这些细菌物种可以抵抗土壤Cu和Cd污染。而BSV26、Bryobacter、Pajaroellobacter和WPS-2的相对丰度与土壤Cu和Cd浓度呈显著负相关关系，说明这些细菌物种对土壤Cu和Cd污染较为敏感。 （2）水稻土Cu和Cd浓度与真菌群落的香农指数显著正相关。土壤Cu和Cd污染改变了真菌群落组成，且相比于土壤理化性质，Cu和Cd污染组分对真菌群落结构的影响更大。土壤Cu和Cd浓度的增加导致真菌共现网络中模块发生显著变化，改变了生态模块的累积相对丰度。土壤Cu和Cd浓度分别与Eurotiomycetes、Pezizomycetes、Ustilaginomycetes和Kickxellomycetes的相对丰度呈显著正相关关系，而与Mortierellomycetes的相对丰度呈显著负相关关系。土壤真菌类群的变化表明其对土壤Cu和Cd污染的适应。这些结果说明了长期的Cu和Cd富集显著改变了亚热带稻田土壤真菌群落的结构和多样性。 （3）水稻土Cu和Cd污染组分改变了微生物功能基因的相对丰度，其对微生物代谢潜力的影响高于土壤理化性质。土壤Cu和Cd污染组分与重金属抗性（copAB、pcoBCD、ccmF、cusABFR、cueR、csoR、zntA、czcABCD、cadC和zipB）、固碳（3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-HP/4-HB）和3-羟基丙酸双循环（3-HP））、硝化作用（amoABC和hao）和反硝化作用（narGH、napAB、nirKS和nosZ）相关基因的相对丰度显著正相关，与固氮相关基因（nifDHK）的相对丰度显著负相关。此外，土壤Cu和Cd浓度与土壤碳、氮和磷循环相关的水解酶活性显著负相关，而与氧化还原酶活性无关。这表明长期重金属污染不仅导致土壤中重金属抗性基因的富集，还改变了微生物在调控土壤碳、氮、磷循环过程的功能潜势，进而影响了土壤的养分转化过程。 （4）培养实验揭示，低浓度Cd单独添加不影响硝化基因丰度，高浓度Cd单独添加显著增加硝化基因丰度。Cd单独添加在非淹水条件下降低了narH丰度，而在淹水条件下增加了nosZ丰度，从而显著降低了土壤N2O的排放。高浓度Cu单独添加在非淹水条件下增加了narGHI和norB丰度从而促进了土壤N2O的排放，复合污染对N2O排放的抑制说明Cd比Cu对N2O排放的影响更大。高浓度Cu单独和复合添加在淹水条件下比低浓度Cu单独和复合添加对土壤N2O排放的抑制作用更强，主要是由于硝化基因amoABC丰度以及反硝化基因napAB、nirKS、norB和nosZ丰度的减少。相比于重金属添加，土壤水分条件对微生物群落结构的影响更大。土壤水分条件和重金属污染还改变了硝化和反硝化细菌的丰度从而影响土壤氮转化过程。 综上所述，本研究阐明了仙槎河污灌区水稻土主要重金属污染物Cu和Cd的区域分布。土壤Cu和Cd污染改变了细菌和真菌的群落组成，以及改变了微生物的潜在功能。本研究界定了主要的重金属抗性和敏感微生物物种，并揭示了红壤丘陵区重金属污染情景下水稻土氮素循环的响应特征及微生物驱动机制。研究结果有助于红壤丘陵区土壤健康和土壤生产力的保持，并可为稻田土壤重金属污染的生物修复提供理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 136 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199831]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭一帆. 重金属胁迫下水稻土微生物群落和氮转化的耦合作用机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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