稻田土壤中微生物群落对甲基汞积累的影响

发布时间：2020-06-11 23:24

【摘要】：重金属汞(Mercury,Hg)是可长距离传输的全球性污染物,具有毒性强,易生物富集等特点。甲基汞(Methylmercury,MeHg)是已知所有Hg形态中毒性最强的有机化合物,可以通过食物链进入生物体内累积并放大,严重危害人类的健康。目前已知Hg矿区居民日常食用的稻米是MeHg暴露的主要途径,且水稻土也被证实是陆地生态系统中产生MeHg含量最多的场所之一。因此,如何降低Hg矿区稻米中MeHg的含量已经成为一个亟需解决的问题。然而,水稻土中MeHg的产生与累积机制仍不清楚。本研究以典型Hg矿区水稻土为对象,研究Hg转化相关的微生物功能基因(hgcA、dsrA、dsrB、mcrA、pmoA)分布特征,通过野外调查与室内培养相结合的方法,较系统地开展了水稻土中MeHg积累的微生物学机制研究。首先,采集我国典型Hg矿区的土壤样品,分析Hg矿区土壤中总汞(Total Mercury,THg)、MeHg分布特征,探索影响土壤MeHg积累的关键因素,并筛选出具有较高MeHg含量的水稻土,作为后续培养实验的材料。其次,通过室内添加功能微生物抑制剂培养实验探究水稻土微生物群落对MeHg降解的相对贡献,并探讨水稻土MeHg、Hg甲基化微生物功能基因丰度及细菌群落组成之间的关系。最后,研究典型施肥管理措施对土壤MeHg积累影响,以初步明确施肥对水稻土MeHg积累的影响机制。本研究的结果可为揭示稻田土壤中MeHg积累的主控因子,为稻田土壤MeHg污染修复提供理论依据。主要研究结果如下:(1)本实验采集土壤所在地为我国典型Hg矿区。如贵州Hg矿区的万山(WS)、铜仁(TR)及湖南Hg矿区的齐梁桥(QLQ)、新场乡(XCX)、茶田(CT),共5个区域的旱地土壤和稻田土壤样品共47个。分析了土壤样品中THg和MeHg含量特征,并运用定量PCR的方法检测各土壤样品中Hg甲基化功能基因hgcA的丰度。得出结果表明,土壤中MeHg含量与THg含量呈极显著正相关性(P0.01),且各取样点中,水稻土样品中MeHg的含量普遍高于旱地土。定量PCR的结果表明,旱地土壤样品中几乎检测不到hgcA的存在;而水稻土壤样品中古菌hgcA的丰度明显高于细菌,且与MeHg的含量显著相关(R~2=0.05,P0.05),由此可见,古菌可能在矿区水稻土的Hg甲基化过程中起到了重要作用。这些结果表明微生物群落可能对水稻土中MeHg积累具有重要的影响。(2)在探明上述典型Hg矿区土壤中MeHg特征后,选择MeHg浓度较高的湖南桃源水稻土作为后续培养实验的材料。选择两种微生物抑制剂钼酸钠(Na_2MoO_4,硫酸盐还原菌抑制剂)及2-溴乙基磺酸钠(Bromoethanesulfonicacid,BES,产甲烷菌抑制剂),通过淹水(Y)的培养实验来研究上述典型微生物对水稻土MeHg积累的影响。此外,通过有氧(H)条件下添加甲烷氧化菌抑制剂(CuCl_2)培养实验,探究好氧的甲烷氧化菌在水稻土MeHg去除中的潜在作用。淹水的厌氧菌培养实验设置了三个处理,即不添加抑制剂的对照组(CY)、分别添加MoO_4~(2-)(M)和BES(B)的处理;有氧添加Cu~(2+)的培养实验设置了不添加Cu~(2+)(CH)和添加Cu~(2+)(Cu)的两个处理。以上各处理均在25℃条件下避光培养,在第0、2、4、7、14、30、60、120、150 d取样,测定土壤MeHg的含量,并检测培养第0、60、120 d土壤样品中甲基化功能基因丰度和细菌群落组成。淹水添加厌氧菌抑制剂的实验结果表明:添加抑制剂的M处理中,MeHg的含量与CY相比均没有显著差异(P0.05);hgcA丰度在M处理中培养120d时显著低于0,60 d(P0.05),而CY中无明显变化;在属水平聚类分析发现,M与CY处理细菌群落组成没有明显变化。添加抑制剂B处理中MeHg的含量在第14、120、150 d时显著高于CY(P0.05),B处理中mcrA基因的丰度呈逐渐降低的趋势,120 d时显著低于0、60 d(P0.05);在属水平上聚类分析显示,B处理中Azospirillum菌属的相对丰度高于CY。有氧添加Cu~(2+)的培养结果表明:Cu处理中MeHg的含量在0~120 d期间显著低于CH(P0.05);Cu处理中功能基因的丰度(除hgcA外)在60、120 d时显著低于0 d,CH处理则无明显变化;Cu处理样品中变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度均高于CH;在属水平聚类分析发现,Dyella菌属在Cu处理中大量富集,而CH中却没有检测到。(3)在基本探明上述水稻土中MeHg积累的特征后,通过施加氮肥(NH_4Cl、NaNO_3)培养实验来考察农业管理措施对该水稻土中MeHg积累的影响。设置了淹水(Y)和有氧(H)两种培养条件,各培养条件下均设置不添加氮素的对照,添加铵氮及硝态氮的三个处理。即,淹水不加氮(CY),淹水加铵氮(NHY),淹水硝态氮(NOY),有氧不加氮(CH),有氧加铵氮(NHH),有氧加硝氮(NOH),共六个处理。各处理在25℃避光培养150 d,在培养的0、2、4、7、14、30、60、120、150 d取样,测定土壤中MeHg的含量,并检测培养第0、60、120 d土壤样品中甲基化功能基因丰度。实验结果表明:淹水条件下三个处理(CY、NHY和NOY)中MeHg含量均随着培养时间的延长而逐渐降低,且各处理在多数取样点MeHg含量均无显著差异;dsrB丰度在CY和NHY处理中在培养120 d时均显著低于0 d(P0.05),dsrA丰度在CY和NOY处理中在培养120 d均显著高于0 d(P0.05)。有氧条件下各处理土壤中MeHg含量在120 d时降至最低,之后(150d)又小幅度增加;培养60 d时,NHH处理中dsrA、dsrB、pmoA丰度均显著高于0 d,而CH中无明显变化;培养120 d时,NOH和CH处理中hgcA丰度均显著低于0 d(P0.05),而dsrA、dsrB、mcrA、pmoA丰度均无明显变化。
【图文】：

菌属,热图,相对丰度,细菌群落

图 4-5 培养第 60 d 和第 120 d 不同处理中主要菌属相对丰度热图（>20%）Fig.4-5 Heatmap showing the relative abundances of the dominating bacterial in different soiltreatments at day 60 and 120 (>20%)注：C0表示0 d样品中细菌群落组成；CY60、M60、B60表示60 d样品中细菌群落组成；CY120M120、B120 表示 120 d 样品中细菌群落组成有氧条件下添加 Cu2+培养，不同时期土壤样品基于属水平的细菌群落结构下图 4-6 所示。从热图中可以看出，Cu 土壤样品中相对丰度较高的菌属主要是氏菌属（Dyella）。在 120d 时，Cu 样品中出现了少数的热酸菌属（Acidothermus）梭菌属（Clostridium_sensu_stricto_1），而 CH 中却没有检测到。由此可以初步出，添加 Cu2+培养 120 d 后，在一定程度上影响了土壤中细菌的群落组成。

菌属,热图,相对丰度,土壤样品

33图 4-6 Cu2+处理土壤样品主要菌属相对丰度热图（>20%）Fig.4-6 Heatmap showing the relative abundances of the dominating bacterial at Cu2+treatment(>20%)注：C0 表示 0 d 样品中细菌群落组成；CH60、Cu60 表示 60 d 样品中细菌群落组成；CH120、Cu120 表示 120 d 样品中细菌群落组成4.3 讨论本研究中，淹水条件下添加硫酸盐还原菌抑制剂钼酸盐、产甲烷菌抑制剂 BES后，和对照组相比，土壤中的 MeHg 含量没有显著差异（P > 0.05）；在培养后期，添加抑制剂组中 MeHg 的含量高于对照组，可能是因为随着抑制剂浓度的减弱，汞甲基化微生物又重新结合 Hg2+形成 MeHg。定量 PCR 的结果显示，添加钼酸盐后，dsrA 和 dsrB 基因的拷贝数与对照组相比无显著差异，，但 dsrB 基因的丰度在第
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.3;X53;S511

【参考文献】