电子垃圾重金属污染稻田土壤中反硝化微生物群落多样性分析

来源 :广西科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:huanyu2121
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随着信息时代的发展和电子产品更新速率的加快,电子垃圾已经成为全球增长速度最快的垃圾类型之一,其中含有铜(Cu)、铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等重金属、有机污染物及有毒有害物质。目前电子垃圾拆解主要采取粗放式处理方式,已造成严重、持久的土壤重金属污染问题。土壤中的反硝化作用是自然环境氮循环中重要组成部分,反硝化中不同的氮元素还原阶段均有各种类型微生物广泛参与,探讨电子垃圾重金属污染对土壤反硝化群落影响,为深入了解重金属对氮循环的影响以及开发出针对性土壤修复方式提供理论依据。本研究以广东省汕头市贵屿镇典型电子垃圾酸洗场周边稻田(LDTR)和电子垃圾堆放点周边稻田(LGTR)的土壤作为试验样品。首先对土壤样品中8种重金属(铜、镉、汞、砷、铅、铬、锌、镍)含量进行测定,确定土壤重金属污染程度;随后采用Miseq高通量测序技术,以16S rRNA基因作为目标分子,分析土壤中微生物群落结构,了解土壤反硝化菌群的微生物群落背景;最后以反硝化三种关键功能基因narG、nirK、nosZ为分子指标进行实时荧光定量PCR、克隆文库、末端限制性片段长度多态性分析,研究电子垃圾污染稻田反硝化微生物多样性、丰度及物种组成,并分析土壤重金属和反硝化微生物多样性的关系,初步确定对反硝化过程影响较大的重金属元素及其对相应的关键微生物类群。结果表明:(1) LDTR和LGTR两个样点中均有一定程度的重金属污染。8种重金属除As以外其他重金属元素均有超过背景值现象,LDTR中Cu、Ni、Hg超标最为严重,Cd次之;LGTR中Hg超标严重,Cu、Cd、Ni、Zn次之。相关性分析和主成分分析表明,LDTR中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd五种重金属之间呈显著性正相关关系,LGTR中Cd、Hg、Pb、Cu、Zn这五种重金属之间呈正显著关系,说明这些重金属之间具有同源性。(2)LDTR样点高通量测序总计得到453,316条有效序列,每个样品平均20,605条序列。而LGTR样点共获得345,838条有效序列,每个样品平均21,615条序列。对16S rRNA基因序列分析,细菌来源23个门的200多个属,两个样点在微生物物种组成上差异明显。变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospira)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)等优势物种的相对丰度和重金属具有显著相关关系。(3)实时荧光定量PCR结果表明,两个样点8种重金属与三种编码基因拷贝数之间基本没有相关性。(4)三个基因克隆文库结果表明,LDTR样点narG克隆文库的物种最丰富,其中栖热菌属所属的球菌纲(Deinococci)所占优势明显,而LGTR样点的nirK克隆文库的物种组成最丰富。两个样点中,变形菌门均占比例较大,其中Alpha-变形菌随着反硝化过程的进行逐渐增加。(5) T-RFLP结果表明,在LDTR样点中,Acidovorax sp.在硝酸盐还原成亚硝酸盐阶段对重金属As、Cd、Cu、Ni、Pb、Zn具有显著性相关关系,Thermus sp.对重金属As、Cd、Cu、Pb、Zn具有显著相关关系。在LGTR样点中Thermus sp.和Hyphomicrobium sp.和Meiothermus sp.在硝酸盐还原成亚硝酸盐阶段对重金属Cd、Cu、Pb、Zn有显著性关系。说明铁还原菌、栖热菌属和耐酸性微生物在硝酸盐还原成亚硝酸盐过程中可能起到关键作用。
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