劉榮燦,劉曉霞,馮 洋,趙乾程,胡雪松,杜閆彬,于彩虹*

長(zhǎng)期復(fù)合重金屬污染對(duì)土壤解磷微生物的影響

劉榮燦1,劉曉霞2,馮 洋2,趙乾程1,胡雪松1,杜閆彬1,于彩虹1*

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083；2.北京市耕地建設(shè)保護(hù)中心,北京 100074)

為進(jìn)一步了解長(zhǎng)期重金屬污染壓力下解磷微生物群落分布及潛在功能的變化,采用宏基因組學(xué)技術(shù)系統(tǒng)分析了北京某金礦周邊土壤中含phoD基因或pqqE基因的解磷微生物對(duì)不同程度的復(fù)合重金屬污染的響應(yīng).結(jié)果表明:重金屬對(duì)解磷微生物確有影響,隨重金屬濃度增加,解磷微生物相對(duì)豐度逐漸降低,酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)是重金屬?gòu)?fù)合污染土壤中的解磷微生物的優(yōu)勢(shì)菌門.重金屬是與解磷微生物群落最顯著相關(guān)的因素,重金屬As、Pb、Zn對(duì)解磷微生物影響較大,Nitrospirae、Acidobacteria、Gemmatimonadete、Proteobacteria更易受到重金屬的影響發(fā)生群落結(jié)構(gòu)改變,其中Nitrospirae對(duì)Cr、Cu、Pb、Zn、As、Cd多種重金屬表現(xiàn)出敏感性.有效磷濃度與解有機(jī)磷微生物多樣性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05),堿性磷酸酶活性與解無(wú)機(jī)磷微生物多樣性顯著負(fù)相關(guān),而土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、pH值對(duì)重金屬污染土壤中解磷微生物多樣性無(wú)顯著影響.研究結(jié)果為進(jìn)一步探索長(zhǎng)期重金屬污染壓力下解磷微生物的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制提供參考.

解磷微生物；重金屬；phoD；pqqE

磷是所有生物群維持基本代謝活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)功能最重要的元素之一[1].土壤中的磷按存在狀態(tài)分為無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷,按能否被植物利用可分為無(wú)效磷和有效磷.通常情況下,土壤中95%的磷為無(wú)效磷,以難溶性有機(jī)磷與無(wú)機(jī)磷酸鹽礦物[2]形式存在,剩下不超過(guò)5%為可溶性無(wú)機(jī)磷酸鹽[3],能與土壤重金屬陽(yáng)離子結(jié)合起到固定重金屬的作用.因此,探究重金屬對(duì)無(wú)效磷轉(zhuǎn)化為有效磷的影響機(jī)制對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)具有重要意義.

驅(qū)動(dòng)無(wú)效磷轉(zhuǎn)化為有效磷的微生物被稱為解磷微生物.分為解有機(jī)磷微生物與解無(wú)機(jī)磷微生物[4].一般認(rèn)為兩者之間沒有絕對(duì)界限,部分微生物同時(shí)具有解有機(jī)磷與解無(wú)機(jī)磷兩種作用[5].解有機(jī)磷微生物通過(guò)分泌各種酶類溶解難溶性有機(jī)磷,其中堿性磷酸酶(ALP)是最重要的酶.編碼堿性磷酸酶的同源基因有phoA,phoX和phoD.其中phoD基因編碼的堿性磷酸酶(PhoD)在土壤中最常見,其在土壤中的豐度也遠(yuǎn)高于phoA和phoX,被認(rèn)為是土壤中最重要的堿性磷酸酶基因[6].解無(wú)機(jī)磷微生物通過(guò)分泌H+、有機(jī)酸等將難溶性無(wú)機(jī)磷酸鹽礦物溶解釋放可溶性無(wú)機(jī)磷酸根[7],其中由葡萄糖脫氫酶(GDH)和輔因子吡咯喹啉醌(PQQ)共同催化葡萄糖合成[9]葡萄糖酸是主要機(jī)制[8].PQQ對(duì)細(xì)菌利用葡萄糖產(chǎn)酸溶解無(wú)機(jī)磷起到關(guān)鍵作用[10-11].在編碼PQQ的基因簇pqqABCDE中,土壤偏中性條件下pqqE基因表達(dá)量最高[13],pqqE基因也被認(rèn)為最具代表性[14].目前對(duì)解無(wú)機(jī)磷基因的研究較少,公開發(fā)表的文章僅局限于細(xì)菌產(chǎn)酸途徑中的調(diào)節(jié)基因[12].近年來(lái)宏基因組學(xué)技術(shù)發(fā)展快速,通過(guò)研究關(guān)鍵解磷基因phoD和pqqE的豐度、微生物群落的組成和分布的變化來(lái)探究解磷微生物如何適應(yīng)環(huán)境壓力成為可能[15].然而,更多的研究集中在磷肥、環(huán)境跨度等因素上,重金屬對(duì)解磷微生物群落的影響仍缺乏全面了解.

土壤重金屬污染作為世界范圍環(huán)境問題備受關(guān)注[16-18].解磷微生物是土壤中可溶性無(wú)機(jī)磷酸鹽的潛在供應(yīng)體,能夠持續(xù)轉(zhuǎn)化有效磷,部分可用來(lái)固定和鈍化重金屬,降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性[19],解磷微生物可以在一定程度鈍化土壤重金屬[20],且菌株對(duì)不同重金屬降解的實(shí)驗(yàn)室研究愈發(fā)受到重視[21-28].土壤中的重金屬污染會(huì)嚴(yán)重影響土壤微生物的組成、豐度和多樣性,降低土壤肥力進(jìn)而使其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受損[18],phoD與pqqE作為解磷功能基因?yàn)樘骄恐亟饘傥廴就寥乐薪饬孜⑸锶郝涞淖兓峁┝擞行Х椒?同時(shí)明晰土壤中解磷微生物群落對(duì)重金屬的響應(yīng)機(jī)制對(duì)于開重金屬修復(fù)技術(shù)具有重要的意義.

本文研究了金礦周邊不同程度復(fù)合重金屬污染的農(nóng)田土壤中含有phoD或pqqE基因解磷微生物的關(guān)鍵類別,明晰了解磷微生物群落對(duì)不同濃度重金屬的響應(yīng),重點(diǎn)探討了重金屬濃度與解磷微生物之間的相關(guān)性,為進(jìn)一步探索解磷微生物應(yīng)對(duì)土壤重金屬污染的機(jī)制提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 土壤取樣

從北京市某廢棄金尾礦周邊農(nóng)田中采集土壤樣品,在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上,沿廢棄河道選取重金屬污染程度的L、M、H3塊取樣地,根據(jù)5點(diǎn)取樣法每塊地選擇3個(gè)采樣點(diǎn),選擇3個(gè)重復(fù),每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置D1(0～20cm)、D2(20～40cm)、D3(40～60cm)、D4(60～80cm)、D5(80～100cm)5個(gè)采樣深度,按照等量、隨機(jī)、多點(diǎn)混合的原則取樣,以保證土壤樣本的代表性.每個(gè)樣品取樣完畢后混合均勻,用塑料帶密封,記錄下取樣地點(diǎn)、日期等基本信息.共取得45份土壤樣品,完全混合后分為兩部分進(jìn)行DNA測(cè)序與土壤理化性質(zhì)測(cè)定.

1.2 土壤理化性質(zhì)、重金屬濃度、堿性磷酸酶活性測(cè)定

按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[29]分析土壤中理化性質(zhì)、《土壤酶及其研究法》[30]分析土壤酶活性,簡(jiǎn)要方法如下:

土壤中總氮(TN):采用凱氏定氮法測(cè)定;氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮:采用氯化鉀溶液提取-分光光度法(HJ 634-2012)測(cè)定;土壤溶解性有機(jī)碳(TOC):稱過(guò)2mm篩的風(fēng)干土樣10g,按水土比2:1添加蒸餾水,在25℃下恒溫振蕩30min后(180r/min),用0.45mm濾膜抽濾,濾液直接在TOC-1020A有機(jī)碳分析儀(Elementar,德國(guó)產(chǎn))上測(cè)定;土壤pH值:稱取風(fēng)干土樣10g,加入25mL的去CO2蒸餾水,浸提30min后用pH計(jì)(YOKEPHS-3E.Shanghai,China)測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)(SOM):重鉻酸鉀－硫酸氧化法測(cè)定;土壤有效磷含量(P):鉬銻抗比色法[31]測(cè)定;堿性磷酸酶活性(ALP):磷酸苯二鈉比色法[32]測(cè)定.

土壤重金屬總濃度的測(cè)定:采用AFS ((JitianAFS-9130,中國(guó)))測(cè)定As總濃度,采用ICP- MS((I捷倫ICP-MS7700x,USA))測(cè)定總Cd、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni.

1.3 宏基因組測(cè)序

用DNA提取試劑盒(E.Z.N.A.Soil DNA Kit, Omega Bio-Tek,Inc.,GA,USA)提取用于元基因組學(xué)的DNA.使用S220聚焦超聲儀?(Covaris Inc.,沃本,美國(guó)馬薩諸塞州)切除和提取剪切DNA片段(～500bp),用于成對(duì)末端文庫(kù)的構(gòu)建.鳥槍法提取合格的?,用NEB next Ultra DNA Library Prep Kit (Illumina,Inc.,CA,USA)構(gòu)建成對(duì)端測(cè)序文庫(kù),通過(guò)Qubit4.0 熒光定量?jī)x(美國(guó)ThermoFisher Science)測(cè)量文庫(kù)濃度, 2100DNA1000Kit(Agilent Technologies, CA,USA)檢測(cè)文庫(kù)長(zhǎng)度分布.使用Illumina HiSeq XTen測(cè)序平臺(tái)(Illumina,Inc.,CA,USA)在中國(guó)上海生工生物技術(shù)公司高通量測(cè)序中構(gòu)建合格的測(cè)序文庫(kù),測(cè)序方式為 PE150bp.

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Excel 2019統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),使用Past3和R語(yǔ)言(4.0.2版)繪制圖形.采用方差分析計(jì)算統(tǒng)計(jì)學(xué)差異.Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)箱線圖、物種豐度星圖和主成分分析(PCA)由R中的vegan包計(jì)算、ggplot2繪制.多樣性指數(shù)表使用Past3計(jì)算.微生物物種豐度堆疊圖通過(guò)Excel 2019繪制.R中的pheatmap包生成了說(shuō)明微生物群落豐度與金屬濃度之間Spearman相關(guān)性的熱圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬濃度和土壤理化性質(zhì)

土壤重金屬As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni全量含量見表1.根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)業(yè)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)(試行)》GB15618-2018設(shè)置的風(fēng)險(xiǎn)篩選值與管控值判定,L組As含量在篩選值范圍內(nèi),其余各土層各金屬含量均遠(yuǎn)低于篩選值,農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低,認(rèn)為L(zhǎng)組為無(wú)污染對(duì)照土壤樣本;M組除Cu、Cr、Ni在篩選值范圍內(nèi),Cd和Pb小于等于風(fēng)險(xiǎn)管制值、As大于等于風(fēng)險(xiǎn)管制值、三者濃度超標(biāo),認(rèn)為M組為復(fù)合重金屬污染土壤樣本;H組除Cr、Ni以外,其余重金屬全量均遠(yuǎn)超風(fēng)險(xiǎn)篩選值,As、Pb比風(fēng)險(xiǎn)管控值高出近50倍和10倍,認(rèn)為H地為重度復(fù)合重金屬污染土壤樣本.

在D1層中,如表2所示,H組TOC、TN、SOM及有效磷含量顯著高于L、M組,堿性磷酸酶活性變化呈現(xiàn)M組>L組>H組的變化趨勢(shì),張杰等研究表明堿性磷酸酶活性隨重金屬濃度增加整體呈現(xiàn)活性抑制狀態(tài)[28],重金屬濃度過(guò)高會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)繁殖,不宜于微生物生存.

表1 土壤重金屬全量(mg/kg)

注:數(shù)值后不同字母表示差異顯著(<0.05).

表2 廢棄尾礦周邊土壤不同環(huán)境因子指標(biāo)

注:表中數(shù)據(jù)為D1層每組3個(gè)重復(fù)樣本的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,每行數(shù)字后面的不同字母表示<0.05水平下存在顯著性差異.

2.2 解磷微生物群落多樣性

通過(guò)對(duì)土壤宏全基因組測(cè)序獲得phoD基因作為篩選解有機(jī)磷微生物的標(biāo)志基因,篩選出443條結(jié)果,分屬1個(gè)真菌門、13個(gè)細(xì)菌門共59種微生物.以pqqE基因作為篩選解無(wú)機(jī)磷微生物的標(biāo)志基因,共篩選出794條結(jié)果,1個(gè)真菌門、9個(gè)細(xì)菌門共70種微生物.下文針對(duì)解磷微生物多樣性分別進(jìn)行了詳細(xì)分析.

圖1 解磷微生物群落多樣性分析

不同重金屬污染濃度下解磷微生物群落的主坐標(biāo)分析(PcoA)得解有機(jī)磷群落第一主軸占比58.31%(圖1(a)),解無(wú)機(jī)磷群落第一主軸占比59.49%(圖1(b)).不同重金屬污染濃度下的兩種解磷微生物群落規(guī)劃出分離明顯清晰可見的置信橢圓,表明重金屬濃度的變化對(duì)解有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷微生物群落均有影響;且在不同重金屬污染管理下的H組和M組部分樣品圖上距離近,分布密集,樣品間差異不明顯,但二者與L組被坐標(biāo)軸明顯分開,存在較大差異,說(shuō)明重金屬污染對(duì)解磷微生物群落結(jié)構(gòu)影響差異明顯.

同時(shí)通過(guò)微生物a多樣性分析得知,在各個(gè)土壤深度下,解磷微生物群落多樣性指數(shù)都隨著重金屬濃度的升高呈現(xiàn)出先下降再上升的變化趨勢(shì)(圖1(c)、(d)),L組無(wú)污染對(duì)照區(qū)域土壤中微生物Shannon指數(shù)略高,其次是H組和M組,說(shuō)明重金屬濃度會(huì)刺激解磷微生物多樣性發(fā)生變化.這可能與土壤理化環(huán)境、微生物間的相互作用有關(guān),有研究表明更高濃度重金屬污染激發(fā)了微生物某些重金屬抗性機(jī)制,激發(fā)了微生物間的相互作用[33].

表層土壤中含有phoD基因的解有機(jī)磷微生物群落與含有pqqE基因的解無(wú)機(jī)磷微生物群落物種多樣性指標(biāo)見表3.綜合兩種解磷微生物群落分析,表層Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)的大小順序?yàn)長(zhǎng)>H>M,解磷微生物多樣性與復(fù)合重金屬污染程度之間不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.解有機(jī)磷群落的Taxa S指數(shù)、Evenness指數(shù)小于解無(wú)機(jī)磷群落,但Menhinick和Margalef指數(shù)的大小順序?yàn)榻庥袡C(jī)磷群落>解無(wú)機(jī)磷群落;說(shuō)明雖然表層土壤中相較于解無(wú)機(jī)磷群落,解有機(jī)磷群落物種多樣性略低,但細(xì)菌豐度高,且豐度分布不均勻,解有機(jī)磷微生物群落中存在極優(yōu)勢(shì)物種.Berger-Parker指數(shù)大小順序?yàn)镸>L>H,說(shuō)明M組解磷微生物數(shù)量分布最不均勻,重金屬刺激了解磷微生物群落組成的改變;Taxa S指數(shù)以及Chao-1指數(shù)未發(fā)生數(shù)值變化,說(shuō)明重金屬污染并未影響解磷微生物的物種組成.

表3 解磷微生物群落Alpha多樣性指數(shù)

此外,微生物多樣性隨著土壤深度增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.D3層解磷微生物多樣性指數(shù)最大,說(shuō)明40～60cm土層微生物多樣性高于其他土層(圖1(c)、(d)).隨著土壤深度增加,解磷微生物均勻度表現(xiàn)出與多樣性指數(shù)相同的先增大后減小變化趨勢(shì),猜測(cè)可能因?yàn)榻饬孜⑸飪?yōu)勢(shì)物種屬好氧菌,隨著土壤深度增加其生長(zhǎng)所需各種環(huán)境要素如陽(yáng)光、水分、氧氣量減少,不利于其生長(zhǎng),表層土壤雖然外部環(huán)境適宜,但存在重金屬富集累積導(dǎo)致其生長(zhǎng)被抑制.有研究證實(shí)微生物的生長(zhǎng)受到外界條件的影響很大,受外界環(huán)境條件和土壤中重金屬含量的雙重作用[34],且植物生長(zhǎng)代謝會(huì)在表層土壤中累積重金屬[35].

2.3 解磷微生物群落組成

相對(duì)豐度堆積分析(圖2(a))表明,隨重金屬濃度增加,解磷微生物相對(duì)豐度逐漸降低,重金屬會(huì)抑制解磷微生物整體活性.重金屬污染土壤樣本中解有機(jī)磷微生物分布集中在細(xì)菌門,主要為酸桿菌門(Acidobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、變形菌門(Proteobacteria)、厭氧氨氧化菌門(Candidatus_Rokubacteria)、放線菌門(Actinobacteria),這與其他對(duì)不同土壤中解磷微生物群落研究得出的優(yōu)勢(shì)門類似[36-38],其中酸桿菌門(Acidobacteria)占解有機(jī)磷群落豐度的47%～50%.同時(shí)發(fā)現(xiàn)古菌群落廣古菌門(Euryarchaeota)占所有微生物豐度的0.0016%,古菌中Euryarchaeota已被證實(shí)含有phoD基因序列[38].酸桿菌門屬、裝甲菌門屬、游動(dòng)放線菌屬()、固氮弓菌屬()、變形桿菌門的伯克氏菌目(Burkholderiales_noname)約占所有解有機(jī)磷微生物的90%以上(圖2(d)).解無(wú)機(jī)磷微生物主要由放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、奇古菌門(Thaumarchaeota)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、疣微菌門(Verrucomicrobia)組成(圖2(a)),與前人研究得出的解磷微生物優(yōu)勢(shì)菌門類似[40-43].生絲微菌屬()[13]、、線狀微球菌屬()、甲基菌屬()是解無(wú)機(jī)磷微生物優(yōu)勢(shì)屬(圖2(e)).

值得注意的是厭氧氨氧化菌目前仍無(wú)解磷功能研究記錄,但有研究表明Candidatus A. autotrophicum具有產(chǎn)乙酸的機(jī)制[39];產(chǎn)酸是解磷菌解磷的機(jī)理,我們猜測(cè)這是Candidatus A. autotrophicum被篩選出的原因,這將在后續(xù)研究中繼續(xù)證實(shí).解有機(jī)磷微生物群落和解無(wú)機(jī)磷微生物群落組成差異不大,優(yōu)勢(shì)門微生物重合率達(dá)90%,這也與文獻(xiàn)中認(rèn)為大部分解磷微生物同時(shí)具有解有機(jī)磷與無(wú)機(jī)磷觀點(diǎn)一致[4].同時(shí)本文發(fā)現(xiàn),解磷微生物總豐度順序?yàn)?M>L>H,有研究表明在Cd、Pb復(fù)合污染土壤中,較低濃度的重金屬離子有利于提高土壤微生物活性,當(dāng)Cd濃度大于15mg/kg、Pb濃度大于200mg/kg 時(shí)微生物活性開始下降[44];M組Cd濃度小于上述臨界值,但Pb濃度大于臨界值,或許其他重金屬之間聯(lián)合作用影響了微生物的活性與豐度,這將在之后的研究中證實(shí).物種星圖直觀表現(xiàn)出微生物群落組成的差異情況(圖2(b)、(c)),解磷微生物群落的組成及優(yōu)勢(shì)類群在L、M、H中大致相同,但各個(gè)門的相對(duì)豐度卻存在顯著差異,這同時(shí)證實(shí)重金屬會(huì)影響解磷微生物的群落結(jié)構(gòu).

圖2 解磷微生物α多樣性分析

(a) 橫坐標(biāo)為phoD-L/M/H、pqqE-L/M/H六個(gè)樣本的門水平微生物豐度堆疊圖(0～20cm土壤深度樣本);(b)含有phoD基因及(c)含有pqqE基因門水平微生物物種豐度星圖,每塊扇形區(qū)域長(zhǎng)度與豐度有關(guān),9個(gè)樣本為0～20cm表層土壤樣本,L/M/H每組最后標(biāo)注出來(lái)的樣本數(shù)據(jù)為三個(gè)重復(fù)樣本求平均所得;(d)含有phoD基因及(e)含有pqqE基因?qū)偎轿⑸锶郝湎覉D

不同微生物對(duì)重金屬反應(yīng)各不相同,解磷微生物也存在同樣的模式.古菌可以通過(guò)一些解毒和代謝機(jī)制在重金屬污染土壤中存活,解磷微生物群落中奇古菌門(Thaumarchaeota)、廣古菌門(Euryarchaeota)對(duì)重金屬的刺激反應(yīng)并不顯著,在M和H位點(diǎn)保持了高豐度,豐度百分比依次為10.54%、11.32%、10.20%以及1.25%、1.20%、1.20%.然而,細(xì)菌對(duì)重金屬響應(yīng)不同.Acidobacteria豐度所占平均百分比在L、M、H依次為23.78%、34.05%、30.96%,隨著重金屬濃度升高呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì).細(xì)菌豐度與隨重金屬濃度增加而增大成正相關(guān)關(guān)系的微生物有Nitrospirae、Candidatus_Rokubacteria、Firmicutes.H中屬的的豐度最高.研究表明,在重金屬高濃度范圍內(nèi),巴氏芽孢桿菌可通過(guò)生物礦化和生物富集作用修復(fù)Cd、Cr(Ⅲ)和Zn等重金屬.有研究表明, Proteobacteria和Firmicutes中都含有強(qiáng)金屬抗性基因[45],可以解釋擬桿菌門厚壁菌門豐度隨重金屬濃度升高而升高的現(xiàn)象.有研究表明,Proteobacteria可以在高重金屬污染環(huán)境中生存,具有重金屬耐受性[34,46],同樣本研究中解磷微生物群落中Proteobacteria豐度并沒有受重金屬濃度的顯著影響. Actinobacteria隨重金屬濃度增加豐度逐漸減小,有研究表明Actinobacteria與重金屬全量極顯著負(fù)相關(guān)[47], Actinobacteria對(duì)重金屬毒性影響最為敏感[44];但Joan Cáliz等[48]研究發(fā)現(xiàn)在重Cd污染酸性土壤中Actinobacteria菌株具有強(qiáng)Cd、Pb耐受性,猜測(cè)土壤理化性質(zhì)及重金屬含量的不同會(huì)刺激Actinobacteria的重金屬抗性.

2.4 解磷微生物群落分布與重金屬的相關(guān)性

為進(jìn)一步探討重金屬對(duì)解磷微生物的影響,重金屬與多數(shù)優(yōu)勢(shì)門群落表現(xiàn)出顯著相關(guān)性.對(duì)重金屬含量和微生物豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行Spearman相關(guān)矩陣分析.如圖4所示,重金屬與多數(shù)優(yōu)勢(shì)門群落表現(xiàn)出顯著相關(guān)性.As、Zn、Pb、Cu、Cd等重金屬與解磷微生物中Nitrospirae、Proteobacteria、Planctomycetes、Actinobacteria、Verrucomicrobia和Planctomycetes顯著負(fù)相關(guān).

圖3 解磷微生物群落與不同重金屬的RDA分析

不同顏色坐標(biāo)點(diǎn):取樣地點(diǎn);黑色箭頭:不同重金屬;圖中英文:門水平微生物(添加顯著性標(biāo)識(shí)*)

其中重金屬顯著抑制Armatimonadete豐度.同時(shí)冗余分析表示,As、Pb、Zn對(duì)phoD、pqqE微生物群落影響最大(圖3),Acidobacteria、Gemmatimonadetes、Proteobacteria、Nitrospirae、Planctomycetes受重金屬影響更加明顯.

D1/D2/D3/D4/D5分別代表土壤0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm.其中值用紅色－黃色－藍(lán)色的色階代替,而顯著性則用“*”表示.顯著性<0.01為“**”表示極為顯著;0.05<<0.01為“**”表示極為顯著;>0.05不標(biāo)注顯著性

由圖4可知,Nitrospirae是受重金屬影響最大的微生物群落,與Cr、Cu、Pb、Zn、As、Cd等重金屬都展現(xiàn)了顯著正相關(guān)性.有研究表明在重金屬污染土壤中具有硝酸鹽還原作用,參與好氧氨氧化過(guò)程的微生物豐度較高[54].Sahu等[55]從被高濃度Cd污染土壤中篩選出了的幾株解磷微生物,其中分屬Proteobacteria的腸桿菌株具有高重金屬耐受性支持了本研究結(jié)論[55].Nitrospirae與重金屬含量呈極顯著負(fù)相關(guān),且Actinobacteria呈極顯著負(fù)相關(guān).隨著土壤深度增加,Gemmatimonadetes與重金屬的相關(guān)性由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān),趙鑫等研究表明Gemmatimonadetes對(duì)重金屬有一定耐受能力[54].有研究稱Planctomycetes、Nitrospirae和Gemmatimonadetes的相對(duì)豐度與重金屬含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性[56],猜測(cè)產(chǎn)生結(jié)果差異的因素是土壤類型及土壤層深的不同.Ni、Cr等重金屬與解磷微生物并無(wú)太大的相關(guān)性,這可能是由于Ni、Cr兩種重金屬在研究樣本中均不構(gòu)成污染且濃度在樣本間差別不大.此外,隨著垂直深度的增加,解磷微生物Euyarchaeota、Proteobacteria、Armatimonadetes、Planctomycetes、Firmicutes、Candidatus_ Acetothermia、Verrucomicrobia與重金屬相關(guān)性顯著性指數(shù)p值逐漸減小,即程度呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì). 同時(shí)發(fā)現(xiàn),解磷微生物群落被重金屬?gòu)?fù)合影響,并未顯示出對(duì)單一重金屬顯著相關(guān)性.

2.5 解磷微生物群落分布與環(huán)境理化性質(zhì)相關(guān)性

除重金屬外,大量研究表明,理化性質(zhì)與解磷微生物之間也存在相關(guān)性.phoD解有機(jī)磷微生物冗余分析 (RDA)表明(圖5),理化性質(zhì)中土壤有效磷含量與解有機(jī)磷群落顯著正相關(guān),解釋了群落相關(guān)性的 48.3%.有研究表明phoD基因群落的豐度和組成與磷儲(chǔ)量和磷有效性顯著相關(guān)[49].同時(shí),有機(jī)質(zhì)含量也與解有機(jī)磷微生物顯著相關(guān),有研究表明,重金屬污染區(qū)解磷細(xì)菌豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(<0.05)[42],有機(jī)質(zhì)能顯著影響含有phoD基因的微生物群落結(jié)構(gòu)[50].

圖5 解磷微生物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性

數(shù)據(jù)為表層0～20cm土壤深度樣本,不同顏色坐標(biāo)點(diǎn):取樣地點(diǎn);黑色箭頭:環(huán)境變量;圖中英文:門水平微生物(添加顯著性標(biāo)識(shí)*)

由于地理環(huán)境等的差異以及樣本量、研究方法等因素的影響,得到了不同于此前研究的一些結(jié)果.很多研究認(rèn)為pH值是直接和間接決定有機(jī)磷礦化相關(guān)基因豐度的關(guān)鍵因素的結(jié)論[37-38],但在本研究中,由圖5可知,pH值射線在所有射線中長(zhǎng)度并不突出,說(shuō)明pH值對(duì)phoD微生物有影響但并不顯著.將圖5中所有理化性質(zhì)射線延長(zhǎng),同時(shí)把土壤樣本點(diǎn)垂直投影于延長(zhǎng)線上,沿著圖中各個(gè)變量箭頭的方向樣本相關(guān)性逐漸增大,觀察L、M、H樣本所在位置:pH值對(duì)L組無(wú)污染樣本土壤的影響最大,證實(shí)了pH值是L組解有機(jī)磷群落的關(guān)鍵因素;對(duì)M、H組,pH值的影響并不突出.本文推測(cè)土壤的復(fù)合重金屬污染影響了pH值與微生物群落的相關(guān)性.此外,土壤C:P和N:P比率以及微生物碳是和phoD細(xì)菌群落豐度、群落多樣性和群落組成的主要預(yù)測(cè)因子[51],但Mise等[6]Gaiero等[52]研究表明phoD基因微生物群落組成與土壤碳或氮濃度并不相關(guān); Hu等[50]認(rèn)為土壤有機(jī)碳對(duì)phoD群落結(jié)構(gòu)有很大影響,磷的影響不大,進(jìn)一步得出土壤中有機(jī)磷礦化與碳礦化是解耦的結(jié)論.這些結(jié)果之間存在差異的原因或許是采樣點(diǎn)土壤類型和地理范圍不同導(dǎo)致.此外,環(huán)境因素對(duì)各微生物門的相關(guān)性也存在差異, Actinobacteria、Candidatus_Rokubacteria、Gemmatimonadetes、Proteobacteria呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性.有研究表明,對(duì)環(huán)境條件的變化比其他微生物更敏感,特別是與土壤有機(jī)碳、總氮、NH4+-N和NO3--N濃度呈負(fù)相關(guān),與容重呈正相關(guān)[53].環(huán)境因子對(duì)phoD基因解有機(jī)磷微生物存在一定影響,但在本樣本中,其并不是影響微生物群落變化最主要的變量.

在對(duì)pqqE基因解無(wú)機(jī)磷微生物的冗余分析(RDA)中發(fā)現(xiàn),堿性磷酸酶活性解釋了解無(wú)機(jī)磷微生物群落相關(guān)性的65.85%,是與pqqE群落最相關(guān)的環(huán)境因素(圖5(b)).堿性磷酸酶含量越高,表明土壤中解有機(jī)磷機(jī)制占比越大,有效磷含量增加抑制微生物解無(wú)機(jī)磷過(guò)程,這將在未來(lái)的研究中進(jìn)一步證實(shí).其余環(huán)境理化因子對(duì)本樣本中的解無(wú)機(jī)磷微生物群落有一定影響但效果不顯著.

3 結(jié)論

3.1 解磷微生物主要通過(guò)調(diào)整群落結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)重金屬壓力,不同重金屬污染程度下微生物多樣性無(wú)顯著變化.

3.2 解磷微生物在細(xì)菌與古菌界中存在且細(xì)菌豐度占95%以上,解有機(jī)磷群落與解無(wú)機(jī)磷群落組成重合率達(dá)90%,含phoD基因的解有機(jī)磷微生物以酸桿菌門(Acidobacteria)為主,其次是芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)及變形桿菌門(Proteobacteria),含pqqE基因的解無(wú)機(jī)磷微生物以酸桿菌門(Acidobacteria)為主,其次是變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria).

3.3 RDA分析發(fā)現(xiàn),無(wú)污染土壤中,pH值確是與解磷微生物群落最顯著相關(guān)的因素,在重金屬污染土壤中,相較于pH值、SOM等土壤理化性質(zhì),重金屬更顯著地影響解磷微生物群落多樣性,同時(shí)相關(guān)性分析表明As、Pb和Zn是影響解磷微生物的最關(guān)鍵因子.

[1] Pasek M A. Rethinking early earth phosphorus geochemistry [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008,105(3):853-858.

[2] 王光華,趙 英,周德瑞,等.解磷菌的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2003,(1):96-101.

Wang G, Zhao Y, Zhou D, et al. Research status and prospect of phosphorus solubilizing bacteria [J]. Ecological Environment, 2003,(1): 96-101.

[3] 吉 蓉.土壤解磷微生物及其解磷機(jī)制綜述[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)科技, 2013,(8):42-45.

Ji R. A review of soil phosphorus solubilizing microorganisms and their mechanisms [J]. Gansu Agricultural Science and Technology, 2013,(8):42-45.

[4] 趙小蓉,林啟美.微生物解磷的研究進(jìn)展[J]. 土壤肥料, 2001,(3):7- 11.

Zhao X, Lin Q. Research progress of phosphorus solubilization by microorganisms [J]. Soil and Fertilizer, 2001,(3):7-11.

[5] 池景良,郝 敏,王志學(xué),等.解磷微生物研究及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 微生物學(xué)雜志, 2021,41(1):1-7.

Chi J, Hao M, Wang Z, et al. Research and application progress of phosphorus solubilizing microorganisms [J]. Chinese Journal of Microbiology, 2021,41(1):1-7.

[6] Mise K, Fujita K, Kunito T, et al. Phosphorus-mineralizing communities reflect nutrient-rich characteristics in Japanese arable Andisols [J]. Microbes and Environments, 2018,33(3):282-289.

[7] 林鈺柵,范 縉,蔡邦平,等.解磷微生物在重金屬污染原位修復(fù)中的作用及其機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 55(5):697-706.

Lin Y, Fan J, Cai B, et al. Research progress on the role and mechanism of phosphorus solubilizing microorganisms in in-situ remediation of heavy metal contamination [J]. Journal of Xiamen University (Natural Science Edition), 2016,55(5):697-706.

[8] Kim C H, Han S H, Kim K Y, et al. Cloning and expression of pyrroloquinoline quinone (PQQ) genes from a phosphate-solubilizing bacterium Enterobacter intermedium [J]. Current microbiology, 2003, 47(6):457-461.

[9] Rajpurohit Y S, Gopalakrishnan R, Misra H S. Involvement of a protein kinase activity inducer in DNA double strand break repair and radioresistance of Deinococcus radiodurans [J]. American Society for Microbiology, 2008,190(11).

[10] Tahir M, Asif N M, Shahid M, et al. Inoculation of pqqE gene inhabiting Pantoea and Pseudomonas strains improve the growth and grain yield of wheat with a reduced amount of chemical fertilizer [J]. Journal of applied microbiology, 2020,129(3).

[11] 劉 艷,曹永清,孟 靜,等.熒光假單胞菌CLW17菌株pqqE和GDH基因的功能[J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2022,49(2):529-544.

Liu Y, Cao Y, Meng J, et al. Function of pqqE and GDH genes in Fluorescent Pseudomonas CLW17 strain [J]. Bulletin of Microbiology, 2022,49(2):529-544.

[12] 秦 平.不同解磷菌配比解磷能力比較及解無(wú)機(jī)磷基因的克隆[D]. 哈爾濱:黑龍江大學(xué), 2007.

Qin P. Comparison of phosphorus solubilization ability of different phosphorus solubilizers and cloning of inorganic phosphorus solubilizing gene [D]. Harbin: Heilongjiang University, 2007.

[13] 鐘璐芳.生絲微菌pqq及moxF基因簇的表達(dá)差異分析[D]. 福州:福建師范大學(xué), 2017.

Zhong L. Expression difference analysis of pqq and moxF gene clusters in Raw silk microbacteria [D]. Fuzhou: Fujian Normal University, 2017.

[14] 李 欣,張 磊,胡景江. 拐棗七內(nèi)生細(xì)菌溶磷相關(guān)基因的鑒定[J]. 西北植物學(xué)報(bào), 2017,37(8):1500-1506.

Li X, Zhang L, Hu J, et al. Identification of phosphorus- solubility-related genes from endophytic bacteria of[J]. Chin Bull Bot, 2017,37(8):1500-1506.

[15] Bi Q, Li K, Zheng B, et al. Partial replacement of inorganic phosphorus (P) by organic manure reshapes phosphate mobilizing bacterial community and promotes P bioavailability in a paddy soil [J]. Science of The Total Environment, 2020,703:134977.

[16] Mohammad S I, Mohammad K A, Mohammad H A, et al. Sources and ecological risks of heavy metals in soils under different land uses in Bangladesh [J]. Pedosphere, 2019,29(5):665-675.

[17] Evelyn V, Ngozi V E, Verla A W, et al. Bioavailability, average daily dose and risk of heavy metals in soils from children playgrounds within Owerri, Imo State, Nigeria [J]. Chemistry Africa, 2020,3(2):3.

[18] Harika, Narumanchi, Dishant, et al. Environmental pollution; Study findings on environmental pollution are outlined in reports from Maringa State University (Coagulation/Flocculation withand membrane filtration for dairy wastewater treatment) [C]//IEEE International Conference on Smart Cloud. 0.

[19] Jin H P, Nanthi B, Mallavarapu M, et al. Isolation of phosphate solubilizing bacteria and their potential for lead immobilization in soil [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,185(2).

[20] 李 敏,滕澤棟,朱 靜,等.解磷微生物修復(fù)土壤重金屬污染研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018,38(10):3393-3402.

Li M, Teng Z, Zhu J, et al. Research progress in remediation of heavy metal pollution by phosphorus solubilization microorganisms [J]. Acta Ecologica Sinica, 2018,38(10):3393-3402.

[21] 周 野.可附著糞基生物質(zhì)炭表面的微生物對(duì)重金屬的浸出及固定作用[D]. 長(zhǎng)春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2019.

Zhou Y. Leaching and fixation of heavy metals by microorganisms attached to faec-based biochar [D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2019.

[22] 李益斌.解磷菌改良典型重金屬污染土壤的應(yīng)用研究[D]. 北京:北京有色金屬研究總院, 2018.

Li Y. Research on application of phosphorus solubilizing bacteria to ameliorate typical heavy metal polluted soil [D]. Beijing: Beijing General Research Institute of Nonferrous Metals, 2018.

[23] 邵 文.重金屬鉛、鉻壓力下解磷菌生長(zhǎng)代謝及耐受機(jī)制的研究[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2019.

Shao W. Study on the growth, metabolism and tolerance mechanism of phosphate-solving bacteria under pressure of lead and chromium [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2019.

[24] 呂冰欣.解有機(jī)磷菌對(duì)酸性土壤鉛鎘銅鈍化效應(yīng)和機(jī)理研究[D]. 西安:西北大學(xué), 2019.

Lv B. Passivation effect and mechanism of organophosphorus deoxidizing bacteria on Pb, CD and Cu in acidic soil [D]. Xi 'an: Northwest University, 2019.

[25] 滕澤棟.解磷菌協(xié)同鐵基材料對(duì)鉛污染土壤的修復(fù)作用及機(jī)制研究[D]. 西安:北京林業(yè)大學(xué), 2020.

Teng Z. Study on the remediation effect and mechanism of phosphorus solubilizing bacteria and iron based materials on lead-contaminated soil [D]. Xi 'an: Beijing Forestry University, 2020.

[26] 蘇奇倩,徐其靜,丁豪杰,等.微生物解磷特性及其鉛污染土壤修復(fù)應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2020,43(12):177-184.

Su Q, Xu Q, Ding H, et al. Phosphorus removal by microorganisms and its application in remediation of lead-contaminated soil [J]. Environmental Science and Technology, 2020,43(12):177-184.

[27] 張克瑤.解磷菌—磷酸三鈣膠囊的制備及其對(duì)鉛污染底泥的穩(wěn)定修復(fù)研究[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2020.

Zhang K. Preparation of Tricalcium phosphate capsules by phosphorus solubilizing bacteria and its stable remediation of lead-contaminated sediment [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2020.

[28] 張 杰.生物炭固定化高效解磷菌對(duì)鉛污染土壤的修復(fù)研究[D]. 西安:西北大學(xué), 2019.

Zhang J. Remediation of lead-contaminated soil by immobilized high-efficiency phosphorus solubilizing bacteria with biochar [D]. Xi 'an: Northwest University, 2019.

[29] 中國(guó)土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì).土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1983:20-25.

ACC of CSS. Routine analysis methods of soil agricultural chemistry [M]. Beijing: Science Press, 1983:20-25.

[30] 關(guān)松蔭,等.土壤酶及其研究法[M]. 北京:農(nóng)業(yè)出版社, 1986:17-22.

Guan S, et al. Soil enzymes and their research methods [M]. Agricultural Press, 1986:17-22.

[31] 張祥勝.鉬銻抗比色法測(cè)定磷細(xì)菌發(fā)酵液中有效磷含量測(cè)定值的影響因素分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008,(12):4822-4823.

Zhanf X. Analysis of Influencing factors for determination of available phosphorus content in bacterial phosphorus fermentation broth by molybdenum-antimony anti-colorimetric method [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008,(12):4822-4823.

[32] 石春芳,王志勇,冷小云,等.土壤磷酸酶活性測(cè)定方法的改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016,33(7):48-49.

Shi C, Wang Z, Leng X, et al. Improvement of soil phosphatase activity determination method [J]. Experimental Technology and Management, 2016,33(7):48-49.

[33] 王 嘉,王仁卿,郭衛(wèi)華.重金屬對(duì)土壤微生物影響的研究進(jìn)展[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006,(1):101-105.

Wang J, Wang R, Guo W. Research progress of effects of heavy metals on soil microorganisms [J]. Shandong Agricultural Sciences, 2006, (1):101-105.

[34] 李傳章.微生物在重金屬?gòu)?fù)合污染耕地土壤的變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究[D]. 南寧:廣西大學(xué), 2020.

Li C. Study on the change characteristics and driving mechanism of microorganisms in cultivated soil contaminated by heavy metals [D]. Nanning: Guangxi University, 2020.

[35] Zhang G, Bai J, Zhao Q, et al. Heavy metals in wetland soils along a wetland-forming chronosequence in the Yellow River Delta of China: Levels, sources and toxic risks [J]. Ecological Indicators, 2016,69: 331-339.

[36] 楊 琳.黃土高原溝壑區(qū)刺槐林土壤磷素與微生物群落結(jié)構(gòu)特征研究[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué), 2020.

Yang L. Study on Soil Phosphorus and microbial community structure of Robinia pseudoacacia Forest in gully region of Loess Plateau [D]. Xianyang: Northwest A&F University, 2020.

[37] Hao T, Matthieu B, Marlies J M, et al. Long-term phosphorus fertilisation increased the diversity of the total bacterial community and the phoD phosphorus mineraliser group in pasture soils [J]. Biology and fertility of soils: Cooperating Journal of the International Society of Soil Science, 2013,49(6).

[38] Ragot S A, Kertesz M A, Buenemann E K. phoD alkaline phosphatase gene diversity in soil [J]. Applied and Environmental Microbiology, 2015,81(20):7281-7289.

[39] Hao L, Mcilroy S J, Kirkegaard R H, et al. Novel prosthecate bacteria from the candidate phylum Acetothermia [J]. The ISME Journal, 2018,12(9):2225-2237.

[40] 陳炯宇,覃 英,謝顯秋,等.甘蔗內(nèi)生固氮菌DX120E溶磷基因GDH和pqqE的克隆及溶磷特性分析[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào), 2021,42(10): 2819-2827.

Chen J, Qin Y, Xie X, et al. Cloning of phosphorus solubilizing genes GDH and pqqE fromDX120E in sugarcane and analysis of Phosphorus solubilizing Characteristics [J]. Journal of Tropical Crops, 2021,42(10):2819-2827.

[41] 李興霖,秦 平,葛菁萍,等.共培養(yǎng)提高解磷菌解無(wú)機(jī)磷能力及解無(wú)機(jī)磷基因(pqqE)的克隆[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2015,31(23):47-52.

Li X, Qin P, Ge J, et al. Co-culture of phosphorus solubilizing bacteria and cloning of inorganic phosphorus solubilizing gene (pqqE) [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2015,31(23):47-52.

[42] 易艷梅,黃為一.不同生態(tài)區(qū)土壤溶磷微生物的分布特征及影響因子[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2010,26(5):448-453.

Yi Y, Huang W. Distribution characteristics and influencing factors of soil phosphorus soluble microorganisms in different ecological regions [J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2010,26(5):448-453.

[43] Long X, Yao H, Huang Y, et al. Phosphate levels influence the utilisation of rice rhizodeposition carbon and the phosphate- solubilising microbial community in a paddy soil [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2018,118:103-114.

[44] 滕 應(yīng).重金屬污染下紅壤微生物生態(tài)特征及生物學(xué)指標(biāo)研究[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2003.

Teng Y. Study on ecological characteristics and biological indexes of red soil microorganisms under heavy metal pollution [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2003.

[45] Yong C, Yiming J, Haiying H, et al. Long-term and high- concentration heavy-metal contamination strongly influences the microbiome and functional genes in Yellow River sediments [J]. Science of the Total Environment, 2018:637-638.

[46] 李 夢(mèng).解有機(jī)磷菌對(duì)酸性土壤的改良和重金屬污染的修復(fù)研究[D]. 西安:西北大學(xué), 2017.

Li M. Study on the improvement of acid soil and remediation of heavy metal pollution by organophosphorus detoxifying bacteria [D]. Xi'an: Northwest University, 2017.

[47] 卞方圓,鐘哲科,張小平,等.毛竹和伴礦景天對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)作用和對(duì)微生物群落的影響[J]. 林業(yè)科學(xué), 2018,54(8):106-116.

Bian F, Zhong Z, Zhang X, et al. Remediation of heavy metal contaminated soil by Phyllostachys pubescens and mineralized Sedum [J]. Scientia Silvae Sinicae, 2018,54(8):106-116.

[48] Cáliz J, Montserrat G, Martí E, et al. Emerging resistant microbiota from an acidic soil exposed to toxicity of Cr, Cd and Pb is mainly influenced by the bioavailability of these metals [J]. Journal of Soils and Sediments, 2013,13(2):413-428.

[49] Chen X, Jiang N, Chen Z, et al. Response of soil phoD phosphatase gene to long-term combined applications of chemical fertilizers and organic materials [J]. Applied Soil Ecology, 2017,119:197-204.

[50] Hu Y, Xia Y, Sun Q, et al. Effects of long-term fertilization on phoD-harboring bacterial community in Karst soils [J]. Science of the Total Environment, 2018,628-629:53-63.

[51] Luo G, Sun B, Li L, et al. Understanding how long-term organic amendments increase soil phosphatase activities: Insight into phoD- and phoC-harboring functional microbial populations [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2019,139:107632.

[52] Gaiero J R, Tosi M, Bent E, et al. Soil microbial communities influencing organic phosphorus mineralization in a coastal dune chronosequence in New Zealand [J]. Fems Microbiology Ecology, 2021,97(4).

[53] Wu J, Buckley H L, Curry L, et al. Livestock exclusion reduces the spillover effects of pastoral agriculture on soil bacterial communities in adjacent forest fragments [J]. Environmental Microbiology, 2021, 23(6).

[54] 趙 鑫.內(nèi)蒙古某尾礦庫(kù)土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和土壤微生物特征[D]. 包頭:內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2020.

Zhao X. Environmental risk assessment and soil microbial characteristics of heavy metals in a tailings pond in Inner Mongolia [D]. Baotou: Inner Mongolia University of Science and Technology, 2020.

[55] Sahu S, Rajbonshi M P, Gujre N, et al. Bacterial strains found in the soils of a municipal solid waste dumping site facilitated phosphate solubilization along with cadmium remediation [J]. Chemosphere, 2022,287:132320.

[56] 安鳳秋.外源重金屬鉛和鎘對(duì)土壤生物活性及微生物群落多樣性的影響研究[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué), 2018.

An F. Effects of exogenous heavy metals Lead and cadmium on soil bioactivity and microbial community diversity [D]. Xianyang: Northwest A&F University, 2018.

Effects of long-term combined heavy metal pollution on soil phosphate solubilizing microorganisms.

LIU Rong-can1, LIU Xiao-xia2, FENG Yang2, ZHAO Qian-cheng1, HU Xue-song1, DU Yan-bin1, YU Cai-hong1*

(1.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China；2.Beijing Cultivated Land Construction and Protection Centre, Beijing 100020, China)., 2023,43(2)：915～926

In order to further understand the changes of distribution and potential functions of phosphorus solubilizing microorganisms under long-term heavy metal pollution pressure, the response of phosphorus solubilizing microorganisms containing phoD gene or pqqE gene in the soil around a gold mine in Beijing to different levels of combined heavy metal pollution was systematically analyzed by using macrogenomics technology. It is showed that phosphorus solubilizing microorganisms was affected by heavy metals. With heavy metal concentration increasing, the relative abundance of phosphorus solubilizing microorganisms gradually decreased. Acidobacter and Actinobacteria were the dominant bacteria of phosphorus solubilizing microorganisms in heavy metal contaminated soil. Heavy metals were the most significantly related factors to the phosphorus solubilizing microbial community. The phosphorus solubilizing microorganisms were greatly affected by heavy metals As, Pb, Zn. Heavy metals were susceptibly influence Nitrospirae, Acidobacteria, Gemmatimonadete, Proteobateria, which changed the community structure. Nitrospirae was sensitive to Cr, Cu, Pb, Zn, As, Cd. The concentration of available phosphorus was significantly positively related to the diversity of phosphorus solubilizing microorganisms (<0.05), while Alkaline phosphatase activity was significantly negatively correlated with the diversity of phosphorus solubilizing microorganisms. However, soil organic matter, total nitrogen and pH had no significant effect on the diversity of phosphorus solubilizing microorganisms in heavy metal contaminated soil. The results provided a reference for further exploring the ecological adaptation mechanism of phosphorus releasing microorganisms under long-term heavy metal pollution pressure.

phosphate solubilizing microorganisms；heavy metals；phoD；pqqE

X53

A

1000-6923(2023)02-0915-12

劉榮燦(1998-),女,山東菏澤人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)研究生,主要研究方向土壤重金屬污染修復(fù).發(fā)表論文1篇.

2022-06-27

* 責(zé)任作者, 教授, caihongyu@cumtb.edu.cn