百邁客土壤微生物多樣性成功案例,影響因子6.51

英文標題:
Roles?of?different?active?metal-reducing?bacteria?in?arsenic?release?from?arsenic-contaminated?paddy?soil?amended?with?biochar.
發表時間:2017
期刊:Journal?of?hazardous?material
影響因子:6.51
合作單位:中國科學院廣州地球化學研究所??廣東省生態環境科學與技術研究院

研究背景

由于砷污染對世界范圍內的食品安全和人類健康造成的威脅,稻田砷污染越來越受到人們的關注。間歇性洪水和周期排水對稻田砷的影響顯著。特別是稻田的洪澇條件會導致砷As(III)的釋放,進而被水稻吸收。膳食大米已經成為人體砷的主要來源,因此,了解缺氧水稻土壤中砷的釋放機制對砷污染稻田的修復意義重大。

生物炭是有機物在低氧條件下熱解產生的固體富碳物,近年來,因其在農業和環境方面的效益而被廣泛關注。生物炭可以提高土壤固碳能力,改善土壤質量,提高作物產量。生物炭的pH值、吸附能力、表面積、陽離子交換能力和微孔體積較高,能夠去除土壤中的重金屬污染物。此外,生物炭也可以通過加強電子轉移來促進金屬反應。研究表明,生物炭修正引起砷(As)大量釋放的原因,主要是由微生物群落的轉移和鐵Fe(III)還原菌豐度的增加導致的。

在稻田中,砷的釋放與氧化鐵的氧化還原反應密切相關,金屬還原菌能夠通過金屬呼吸作用控制金屬污染物的轉移。簡單來說,排水后的稻田As(V)轉移率較低,這是因為Fe(III)氧化物可以高度吸附As(V),限制了砷的轉移,然而洪澇爆發時,微生物介導的Fe(III)還原作用會將吸附的As(V)釋放到水中,同時,吸附和釋放的As(V)能夠被As(V)還原菌異化還原為As(III)。有些異化As(V)呼吸菌也是鐵還原菌(如GeobacterShewanella),它們可以同時釋放Fe(II)和As(III)。研究表明,生物炭修正后的砷污染水稻土壤中,梭菌(Clostridium)、芽孢桿菌(Bacillus)和喜熱菌屬(Caloramator)占主導地位,地桿菌(Geobacter)、

厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)、Desulfosporosinus和土地桿菌(Pedobacter)豐度也升高。目前,生物炭修飾對水稻土壤砷轉移的影響,以及對砷污染水稻土壤微生物群落的轉錄活性和功能的影響仍不清楚。16s rRNA測序和轉錄組定量被認為是描述活躍菌群和微生物活性的更好指標。

研究目的

本研究以受砷污染的水稻土壤為材料,采用生物炭進行厭氧微生物試驗。其目的在于:1. 通過監測生物炭修正和無生物炭的微環境中砷和鐵形態的動態變化,評價生物炭修正對缺氧水稻土壤中的砷生物地球化學的潛在影響;2. 通過16S rRNA高通量測序技術,調查砷轉化過程中的活性菌群多樣性;3. 利用RT-qPCR定量分析主要的砷相關細菌的轉錄水平及潛在作用,進一步分析砷轉移與轉錄水平之間的相關性。

材料與方法

1. 土壤、生物炭和微環境

土壤樣品取自于汕頭市蓮花山鎢礦下游的砷污染稻田,運回實驗室后低溫保存;生物炭制備于產自馬來西亞的油棕纖維;:將水稻土壤與30℃去離子水共孵育3周,激活土壤微生物,消耗原生電子受體,模擬稻田的淹水環境;厭氧微環境試驗:120mL血清瓶,70mL培養液(30 mM PIPES緩沖液,pH 7.3),7g水稻土壤(濕重),氮氣隔離,1 mL/L微量元素溶液,1 mL/L維生素溶液,10 mM 乳酸,30℃靜置過夜;設置3個分組:3%(w/w)生物炭修正的水稻土壤、無生物炭修正的水稻土壤(對照組)、無菌土壤(對照組)(γ射線輻射處理);每個采樣周期(第0、1、2、5、10和20天)采集3個微環境樣品,提取總RNA,檢測砷和鐵的形態變化。

2. 砷和鐵的形態變化

高效液相色譜結合氫化物發生原子熒光的方法(HPLC-HG-AFS)。

3. RNA提取和反轉錄

MoBio試劑盒提取土壤樣本的總RNA,Prime Script RT試劑盒(Takara)反轉錄為cDNA。

4. 活性微生物的菌群結構

16s rRNA V4(515R/806F),illumina PE250,QIIME 1.8.0,RDP數據庫。

5. 金屬還原相關菌的檢測

使用Geo494F/Geo825R、Chis150f/ClostIr、FAc12-66F/FAc12-432R和She120F/She220R這4對引物,分別對地桿菌(geobacter)、希瓦氏菌(Shewanella)、梭菌(clostridium)和厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)進行實時熒光定量PCR(RT-PCR),分析這4種金屬還原菌的豐度。

結果與分析

1. 砷和鐵的釋放

從圖1a和1b來看,生物炭修正的水稻缺氧土壤中,Fe(III)的還原與As(V)的解吸或釋放均被促進,As(III)的濃度與Fe(II)的濃度密切相關,Fe(III)和As(V)的降低是同時發生的;從圖1c來看,在整個孵育期間,無菌土壤中均未觀察到鐵和砷的明顯釋放,表明鐵和砷的降低是由微生物導致的。

?圖1. 不同孵育階段,生物炭修正(a)、無生物炭修正(b)和無菌(c)水稻土壤的釋放性砷As(III)/As(V)和鐵Fe(II)/Fe(III)的濃度。
2. 活性微生物的菌群結構

α-多樣性分析結果表明,水稻土壤的生物炭修正組、無生物炭修正和無菌組的Chao1指數、Shannon指數、Simpson指數和物種數目均無顯著性的差異,表明生物炭修正對水稻土壤微生物菌群多樣性的影響微乎其微。在門水平,生物炭修正組和無生物炭修正組中厚壁菌門(firmicutes)的豐度差異可能與生物炭有關(圖2);在屬水平,生物炭修正提高了水稻土壤中的地桿菌(Geobacter)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和梭菌(clostridium)的豐度(圖3),這3種菌均與砷、鐵的還原有關。

圖2. 生物炭修正(a)、無生物炭修正(b)水稻土壤的“門”和“綱”水平活性微生物的相對豐度。

圖3. 生物炭修正(a)、無生物炭修正(b)水稻土壤的“屬”水平活性微生物的相對豐度差異比較(“*”號表示p<0.05。
3. 金屬還原菌的轉錄水平活性

在生物炭修正組中,地桿菌(geobacter)相對轉錄豐度顯著高于對照組(無生物炭修正組)(圖4a),表明生物炭顯著提高了水稻土壤中地桿菌(geobacter)的轉錄活性。此外,生物炭對孵育初期的厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和希瓦氏菌(Shewanella)的轉錄也有積極影響,然而抑制了對菌(clostridium)的轉錄水平(圖4b-d)。

在生物炭修正組中,地桿菌(geobacter)的轉錄水平與砷As(V)的釋放濃度顯著正相關(Pearson,R=0.98,p<0.001;Spearman,R=1,p<0.001),梭菌(clostridium)的轉錄水平與鐵Fe(III)的釋放濃度顯著負相關(Spearman,R = 0.829 ,P < 0.05)。由此可見,在生物炭修正的水稻土壤中,地桿菌(geobacter)和梭菌(clostridium)可以通過提高轉錄水平快速響應砷As(V) 和鐵Fe(III)的釋放。

圖4. 生物炭修正與無生物炭修正的水稻土壤的(a):地桿菌(geobacter);(b)梭菌(clostridium);(c)厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和(d)希瓦氏菌(Shewanella)的相對轉錄豐度。

表1. 地桿菌(Geobacter)、?梭菌(Clostridium)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和希瓦氏菌(Shewanella)的相對轉錄水平與釋放砷As(V)和鐵Fe(III)的Pearson和Speraman相關性檢驗.

研究結論

本文以砷污染的水稻土為研究對象,通過構建厭氧微環境,探究生物炭存在下的砷轉移、活性菌群變化及它們的轉錄活性水平。結果表明,與對照相比,生物炭可以促進微生物對砷As(V)和鐵Fe(III)的還原,提高土壤溶液中的砷As(III)釋放。提取環境樣本中的總RNA研究微生物的群落結構,與對照組相比,生物炭提高了地桿菌(geobacter)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和梭菌(clostridium)3種與砷、鐵相關的細菌。RT-PCR結果表明,生物炭顯著促進了地桿菌(geobacter)的轉錄水平。此外,在生物炭修正的微生境中,地桿菌(geobacter)的轉錄水平與砷As(V)含量,梭菌(clostridium)的轉錄水平與鐵Fe(III)含量均呈顯著的負相關性。總之,生物炭能夠通過促進金屬還原細菌的活性提高砷As轉移,地桿菌(geobacter)和梭菌(clostridium)分別能降低生物炭中的砷As(V)和鐵Fe(III)含量。

 

參考文獻:

Qiao?J?T?,?Li?X?M?,?Li?F?B?.?Roles?of?different?active?metal-reducing?bacteria?in?arsenic?release?from?arsenic-contaminated?paddy?soil?amended?with?biochar[J].?Journal?of?Hazardous?Materials,?2017:S0304389417308476.

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