重金屬污染與土壤微生態(tài)系統(tǒng)：細(xì)菌多樣性、組裝和生態(tài)功能研究

2023年9月30日，中南大學(xué)張杜博士為第一作者、李騫教授為通訊作者在《Chemosphere》雜志上發(fā)表題為“Effects of single and combined contamination of total petroleum hydrocarbons and heavy metals on soil microecosystems: Insights into bacterial diversity, assembly, and ecological function”的研究論文，該研究采用16S rRNA測(cè)序技術(shù)，研究了總石油烴（total petroleum hydrocarbons，TPH）單一污染、重金屬單一污染以及總石油烴-重金屬?gòu)?fù)合污染的土壤微生物群落特征，并與相應(yīng)的低污染對(duì)照進(jìn)行比較。
 
本研究主要目的：（1）研究不同污染脅迫下群落多樣性、組裝機(jī)制、組成、生態(tài)功能和土壤抗性變化。（2）評(píng)價(jià)和比較單一污染和復(fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)。研究結(jié)果將為理解TPH-重金屬單污染及復(fù)合污染下土壤微生態(tài)系統(tǒng)的形成機(jī)制提供新的見解，并為污染物的環(huán)境微生態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要啟示。

標(biāo)題：Effects of single and combined contamination of total petroleum hydrocarbons and heavy metals on soil microecosystems: Insights into bacterial diversity, assembly, and ecological function（總石油烴-重金屬的單一和復(fù)合污染對(duì)土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響：細(xì)菌多樣性、組裝和生態(tài)功能研究）
時(shí)間：2023-09-30
期刊：Chemosphere
影響因子：8.8

研究摘要：
探究總石油烴(TPH)和重金屬單一及復(fù)合污染對(duì)土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響對(duì)于生態(tài)環(huán)境（生境）修復(fù)至關(guān)重要，但目前尚不完全清楚。本研究采用高通量測(cè)序方法研究了單一TPH污染、單一金屬污染及其復(fù)合污染對(duì)土壤微生物多樣性、組裝機(jī)制、組成、生態(tài)功能和抗性的影響。研究結(jié)果顯示，污染導(dǎo)致α多樣性減少，與復(fù)合污染相比，單一污染顯示較低的多樣性，這取決于污染物濃度。群落β多樣性主要受周轉(zhuǎn)（turnover）而非嵌入（nestedness）驅(qū)動(dòng)，在污染條件下，群落的生態(tài)位較窄。中性群落模型(neutral community model，NCM)表明，在單一TPH或復(fù)合污染條件下，均質(zhì)分散在群落組裝過(guò)程中起重要作用，而在重金屬污染條件下，均質(zhì)選擇起主導(dǎo)作用。Procrustes分析揭示了群落組成與功能差異之間的相關(guān)性，而Mantel分析則將這種差異與Cr、Cr6+、Pb和TPH的濃度相關(guān)聯(lián)。結(jié)果顯示，TPH和重金屬?gòu)?fù)合污染的土壤表現(xiàn)出與單一金屬污染的土壤具有相似的屬、群落功能和抗性，突顯了重金屬的顯著影響。與碳(C)、氮(N)和硫(S)循環(huán)相關(guān)的生態(tài)功能在TPH污染下增強(qiáng)，但在重金屬脅迫下受損。這些研究結(jié)果增強(qiáng)了對(duì)TPH、重金屬及其復(fù)合污染下土壤微生態(tài)系統(tǒng)的理解，并對(duì)環(huán)境微生態(tài)和污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。
研究圖形摘要
 

研究結(jié)果
（1）污染土壤的物理化學(xué)性質(zhì)
表1：受污染土壤的物理化學(xué)性質(zhì)
注：重金屬總量、水溶性含量、DTPA可提取量、TPH和pH值以平均值±SD（標(biāo)準(zhǔn)差）表示，n=3。一行中不同字母表明組間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異，p＜0.05。污染物總量方面，星號(hào)（*）表示工業(yè)用地土壤環(huán)境質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB36600-2018）（Cr6+、Cu、Pb、Ni、TPH）和湖南省標(biāo)準(zhǔn)（DB43/T165-2016）（Cr和Zn）中含量超過(guò)開發(fā)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的污染物。對(duì)于水溶性含量，“#”是指含量超過(guò)GB14848-2017中IV類的污染物。“-”表示低于檢測(cè)限值。
 圖1：污染土壤的pH值和主要污染物含量差異。
（A） 總Cr含量。
（B） Cr6+含量。
（C） TPH含量。
（D） pH值。
通過(guò)Mann-Whitney U檢驗(yàn)分析組間的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。不同字母表明組間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著差異，p＜0.05。Ctrl：輕度污染對(duì)照；TPH：TPH污染嚴(yán)重的土壤；HM：重金屬污染嚴(yán)重的土壤；Comb，TPH和重金屬的復(fù)合污染。


（2）群落多樣性
圖2：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組土壤微生物多樣性變化。
A–D.  土壤微生物組α多樣性指數(shù)差異：（A）Shannon多樣性指數(shù)（B）觀察到的特征（C）均質(zhì)性（D）Faith pd。
E–F.   基于未加權(quán)unifac距離（E）和加權(quán)unifrac距離（F）的土壤微生物組β多樣性差異。
G–H.  基于Bray-Curtis距離的細(xì)菌群落β多樣性模式的周轉(zhuǎn)（turnover）差異（G）和嵌入性（nestedness）（H）差異。組間比較采用Mann - Whitney U檢驗(yàn)。不同字母表示組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性，p < 0.05。PCoA，主坐標(biāo)分析。PERMANOVA，置換多元方差分析（Permutational multivariate analysis of variance）。
 

（3）微生物群落組裝過(guò)程
圖3：微生物群落組裝過(guò)程。

1. TPH、HM和Comb中微生物組群落的貝葉斯溯源，以Ctrl為來(lái)源預(yù)測(cè)推定微生物組比例。B
2. 條形圖說(shuō)明了微生物組生境生態(tài)位寬度差異。
3. 條形圖說(shuō)明了Bray-Curtis距離差異。
4. 群落構(gòu)建的中性群落模型（neutral community model，NCM）分析。當(dāng)βNTI絕對(duì)值<2時(shí)，表明均質(zhì)分散在微生物組裝中占主導(dǎo)地位。βNTI＜-2表明均質(zhì)選擇主導(dǎo)微生物組裝過(guò)程。
5. Mantel試驗(yàn)說(shuō)明了群落組成、功能和污染物含量之間的相關(guān)性。通過(guò)Mann-Whitney U檢驗(yàn)評(píng)估組間的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。不同字母表明組間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著差異，p＜0.05。

 
（4）微生物組成
圖4：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組的微生物群分類組成差異。
A–B.  Circos圖顯示TOP10富集的門（phyla）（A）和TOP20富集的屬（genera）（B）。
C.    Venn圖顯示群落中共有和特有的屬（group）。
D.    線性判別分析（LDA）效應(yīng)大�。↙EfSe）顯示TPH、HM和Comb中顯著的土壤微生物類群富集。顯示LDA評(píng)分>4.0和p<0.05。


（5）主要生態(tài)功能預(yù)測(cè)
圖5：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組的微生物群落功能差異。

1.   基于屬豐度的NMDS (Bray-Curtis)結(jié)果和KEGG 3級(jí)分類豐度的Procrustes分析結(jié)果，表明微生物群組成與微生物群落功能之間的相關(guān)性。
2.   使用picrust預(yù)測(cè)的前50個(gè)KEGG通路對(duì)四個(gè)組進(jìn)行熱圖分析。

C-F.  微生物群落主要生物地球化學(xué)功能（biogeochemical functions）變化。C、N和S循環(huán)功能組（cycle functional groups）（C）的相對(duì)豐度，C循環(huán)功能組（D）的相對(duì)豐度、N循環(huán)功能組（E）的相對(duì)豐度，S循環(huán)功能組（F）的相對(duì)豐度。
 

（6）抗性相關(guān)功能挖掘


圖6：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組的微生物組抗性差異。

1. 條形圖顯示總Cr抗性基因的豐度差異。
2. 熱圖顯示10個(gè)Cr抗性基因的豐度差異。
3. 條形圖顯示參與外源生物降解和代謝基因的豐度差異。
4. 熱圖顯示22種外源生物降解和代謝通路的豐度差異。
5. 熱圖顯示石油烴降解酶（essential hydrocarbon-degradation enzymes）的豐度差異。組間比較采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)。不同字母表示組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異，p < 0.05。

研究結(jié)論
本研究中從微生物多樣性、群落組裝機(jī)制、微生物組成、生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤抗性等方面全面分析了單一TPH污染、單一重金屬污染及TPH-重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響。分析結(jié)果表明，群落物種周轉(zhuǎn)（turnover）導(dǎo)致群落β多樣性，在污染條件下觀察到的生態(tài)位較窄。重金屬污染對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生均質(zhì)選擇脅迫，而TPH污染對(duì)土壤生物群落產(chǎn)生均質(zhì)分散脅迫。Cr、Cr6+、Pb和TPH濃度對(duì)群落組成和功能相關(guān)變化具有顯著影響。復(fù)合污染土壤表現(xiàn)出與單一金屬污染土壤相似的屬、群落功能和抗性。C、 N和S循環(huán)功能在TPH污染下增強(qiáng)而在金屬污染下受損。本研究有助于加深理解土壤微生態(tài)系統(tǒng)對(duì)TPH、重金屬及其復(fù)合污染的潛在機(jī)制，對(duì)環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)和污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：
Zhang D, Hu Q, Wang B, Wang J, Li C, You P, Zhou R, Zeng W, Liu X, Li Q. Effects of single and combined contamination of total petroleum hydrocarbons and heavy metals on soil microecosystems: Insights into bacterial diversity, assembly, and ecological function. Chemosphere. 2023 Sep 30:140288. pii: S0045-6535(23)02558-4. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.140288. PubMed PMID: 37783354.