水黄皮-根瘤菌原位修复钒钛磁铁尾矿土壤过程中根际微生物群落的响应特征

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为了系统评估水黄皮-根瘤菌共生体系原位修复钒钛磁铁矿尾矿土壤的效率及修复过程根际微生物群落结构的动态变化规律,本研究以攀枝花钒钛磁铁矿尾矿库上生长不同年限(修复前、修复1年、修复2年)的水黄皮植株及其根际土壤作为研究对象,根据不同修复年限水黄皮的生长状况、氮含量、重金属的富集转移量分析不同修复时间段的水黄皮-根瘤菌共生体系对重金属的修复效率;利用高通量测序技术对水黄皮根际土壤中16S r RNA基因的V4区进行高通量测序,研究水黄皮-根瘤菌共生体系原位修复钒钛磁铁矿尾矿土壤过程中根际微生物的群落结构,结合根际土壤理化性质、重金属含量分析根际土壤微生物群落结构与环境因子的相关性;应用变性凝胶梯度电泳(DGGE)、荧光定量PCR等技术研究水黄皮根际固氮微生物的多样性,揭示水黄皮-根瘤共生体系对根际土壤中固氮微生物的影响。获得结果如下:水黄皮-根瘤菌共生体系原位修复钒钛磁铁矿尾矿土壤过程中根际土壤的速效氮、总氮、微生物量氮、微生物量碳、过氧化氢酶(CAT)、磷酸酶(ACP)和蔗糖酶(SUC)先增后减,氮增量、总磷、总钾和有机质逐年降低,而有效磷和脲酶(URE)逐年增加;根际土壤中的有效Fe呈现显著出逐年减少的变化趋势,且修复1年、2年后土壤中的有效铁比修复前分别减少41.13%和16.90%。水黄皮原位修复尾矿土壤过程中生长状况良好,其中株高、根长、生物量、超氧化物歧化酶(SOD)、氮含量逐年增加。水黄皮修复尾矿土壤2年后,对重金属Cu的富集量为23.85 mg/kg,对重金属Ni的转移量达1120.28 mg/kg。这说明水黄皮对重金属Ni具有较强的转移能力,可应用于镍污染土壤修复。水黄皮-根瘤菌共生体系原位修复钒钛磁铁矿尾矿土壤过程中根际土壤总DNA的16S r RNA V4区高通量测序及物种相对丰度分析表明:变形菌门(Proteobact-eria)和厚壁菌门(Firmicutes)先增后减,放线菌门(Actinobactetia)和酸酐菌门(Acidobacteria)先减后增;不动杆菌属(Acinetobacter)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、马赛菌属(Massilia)为细菌优势菌群,而根瘤菌属(Rhizobium)逐年增加。Alpha多样性分析表明:修复1年后,根际微生物物种丰富度和均匀度均减少;修复2年后,物种丰富度和均匀度达到最大。Beta多样性分析都表明:修复1年后,水黄皮根际微生物群落结构变化较大,并在属水平上结合环境因子进行CCA和RDA分析,细菌群落结构的变化与过氧化氢酶、有效Fe、微生物量氮呈显著相关性(P<0.05)。运用DGGE和基因克隆测序研究水黄皮根际固氮微生物具有多样性,主要有慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium sp.)、根瘤菌属(Rhizobium sp.)、自生固氮菌属(Azotobacter sp.)和Azohydromonas sp.四个不同属,原位修复2年后共生体系根际土壤固氮细菌的种群最丰富。利用荧光定量q PCR技术对不同修复年限水黄皮根际土壤nif H基因进行相对定量,固氮基因的拷贝数的变化范围为4.92×10~7-3.81×10~8 copies·g-1,变化趋势为先减后增,修复2年后固氮基因nif H拷贝数最高,与微生物群落分析的根瘤菌菌群的变化结果一致,说明修复过程中固氮微生物群落结构存在着动态变化。
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