赣南稀土尾矿修复区细菌多样性研究

论文摘要

稀土元素（Rare earth element,REE）是现代科技应用中必不可少的,但矿山的露天开采和尾矿堆积已经引起重金属污染、土壤酸化和水土流失等重大影响;同时,尾矿土壤营养贫乏、有机碳含量低、pH低且土壤结构不良,造成地表植被很难自然恢复。因此,矿山尾矿区的生态修复尤为重要。与物理和化学方法相比,生物修复方法特别是植物修复法具有成本低、效果好等优点,已在矿山尾矿土壤的修复过程中得到广泛的应用。然而,在评价植物修复效果时通常仅限于植被覆盖率和植物多样性等植被指标。土壤微生物群落也是决定土壤生物地球化学循环和有机质转化的内在因素,因此,研究土壤微生物群落组成及多样性的变化对评价植被修复过程中的土壤生态恢复具有重要意义。论文分别采集了与土壤修复区气候特征相近的无锡地区、福建安溪县、赣南寻乌县稀土尾矿复垦区和本课题组修复的尾矿土壤样品,检测了土壤理化性质和土壤微生物类群分布特征,分析了我国东南部亚热带地区土壤微生物群落组成模式和多样性特征;探讨了生物修复对稀土尾矿细菌群落多样性的影响和重金属污染物的修复效果;对比了不同修复时间微生物群落组成和多样性的差异。主要结果如下:（1）在无锡地区林地土壤中优势菌门为变形菌门、酸杆菌门、厚壁菌门和拟杆菌门,分别占各个样品有效序列的32.23%38.45%、15.4%28.78%、10.92%19.03%和5.75%10.98%。酸杆菌门各亚群在常绿树和落叶树土壤中的分布不同,Gp1、Gp2和Gp3亚群在常绿树土壤中丰度较高,而Gp3、Gp4、Gp5和Gp6亚群在落叶树土壤中丰度较高。细菌群落组成和多样性主要受到土壤pH和树木类型的影响。土壤pH是影响细菌多样性的关键因素,低土壤pH导致较低的细菌群落多样性;常绿树根际土壤中的NO3-含量高于落叶树,而NH4+含量低于落叶树,这导致了常绿树根际土壤较低的pH,进而间接影响了微生物多样性和群落组成。无锡地区土壤样品细菌群落香浓指数在5.296.88之间。（2）在安溪地区土壤样品中变形菌门、酸杆菌门、放线菌门为优势菌门,以上各个菌门分别占各组土壤样品有效序列的25.21%40.16%、25.88%44.60%、6.29%11.76%。茶园土中酸杆菌门的相对丰度超过40%,显著高于其它土壤样品（P<0.05）。细菌类群多样性与土壤总氮（TN）和可溶性磷（AP）呈正显著相关（P<0.05）,而与土壤pH呈负显著相关（P<0.01）;通过交互式正向选择分析发现四个环境变量（细沙、粘土、砂砾和AP）对细菌群落结构存在显著影响（P<0.05）,以上各因子的贡献度分别为42.8%、42.5%、32.4%和30.1%。这表明,不仅是土壤养分,土壤质地也会对微生物群落组成产生影响。在安溪地区土壤中微生物群落的香浓指数为6.849.25。（3）稀土尾矿采用桉树修复5年后,土壤养分,包括SOC、AP和TN含量显著低于脐橙园土壤（P<0.05）,但修复区土壤与林地土相比,其pH、SOC和TN含量无显著差异,说明修复后的尾矿土壤在一定程度上恢复了肥力;细菌类群的多样性指数与土壤pH和SOC含量呈正显著相关（P<0.05）;变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、厚壁菌门和绿弯菌门共5个菌门为优势类群,分别占各组土壤样品有效序列的27.34%34.54%,28.03%30.87%,6.23%11.09%,6.69%12.87%和5.42%9.55%。不同来源土壤中细菌群落多样性指数在5.866.17之间。（4）鉴于不同地区健康土壤中微生物群落结构和优势菌门易受到当地土壤理化特性的影响,而香浓指数在生态学中被广泛用于评价物种多样性,因此选择香浓多样性指数作为分析稀土尾矿土壤修复效果的指标。前述各章中,健康土壤中细菌群落香浓指数为5.299.25。（5）稀土尾矿土壤采用植物和微生物联合修复后,修复区土壤样品与尾矿土壤相比,修复区中5种元素（铅、镉、汞、镧和砷）含量呈显著下降趋势（P<0.05）,其中汞元素和砷元素含量下降趋势最为显著,汞元素在芒萁（MQ）和芒草（MC）修复区分别下降了65.45%和80.00%,而砷元素分别下降了82.51%和86.65%。修复区的两个地块中细菌的OTU数、Chao1指数和香浓指数均显著高于尾矿土（P<0.05）。其中,修复区土壤OTU数（MQ:1343;MC:1345）和香浓指数（MQ:5.04;MC:5.13）已接近无锡地区桂花树根际土中细菌OTU数（1435）和香浓指数（5.29）,这说明尾矿土壤的生物修复有效的改善了矿区土壤的生态环境。土壤的理化性质是影响微生物群落的重要因素,即可溶性磷、总磷、土壤有机碳、总氮和pH影响了土壤细菌群落结构的转变,以上5个变量的贡献度由83.7%下降至45.5%。细菌群落的香农指数与土壤中SOC、TN和AP含量呈显著正相关（P<0.001）,而与土壤pH呈显著负相关（P<0.01）。修复区土壤中的β-葡萄糖苷酶、磷酸酶和脲酶的活性明显高于尾矿土壤和对照土壤。变形菌门、酸杆菌门和厚壁菌门为该地区优势微生物类群,在各组土壤样品中分别占51.91%83.72%、1.11%23.73%、1.83%12.37%。修复区土壤中,变形菌门和厚壁菌门的相对丰度明显低于尾矿区土壤（P<0.05）,而酸杆菌门、疣微菌门、浮霉菌门和放线菌门（除MC外）的相对丰度则显著高于尾矿土壤（P<0.05）。（6）在两个经过不同修复时间段的尾矿区土壤中,5年期桉树修复区土壤样品中微生物多样性指数和OTU数显著高于2年期修复区（P<0.05）;其中,在2年期修复区中,变形菌门微生物占优显著优势,在两组土壤样品中相对丰度均超过50%,而5年期桉树土壤样品中变形菌门细菌相对丰度显著下降,其它类群微生物大量增殖,微生物群落结构得以进一步改变。细菌群落组成与土壤pH、AP和SOC含量呈显著负相关（P<0.01）,三个变量的贡献度分别为47.6%、45.4%和41.1%;此外,细菌群落香农指数与土壤中SOC和AP含量呈负显著相关（P<0.01）;在不同修复阶段的土壤中,修复年限较长的尾矿土壤中定殖的微生物类群更多。以上结果也说明了尾矿土壤的生态恢复过程需要一个较长的时间过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 矿山开采及其污染
•     1.1.1 地表露天采矿
•     1.1.2 露天采矿的危害
•     1.1.3 矿区常见的金属污染物及其危害
•   1.2 土壤污染的生物修复
•     1.2.1 植物修复
•     1.2.2 超富集植物
•     1.2.3 植物对金属的吸收和转移
•     1.2.4 植物的金属脱毒机制
•     1.2.5 重金属污染土壤微生物修复技术
•     1.2.6 微生物耐受重金属胁迫的机制
•     1.2.7 植物—微生物联合修复土壤重金属污染
•     1.2.8 土壤微生物在植物修复过程中的作用
•     1.2.9 植物对根际微生物的影响
•   1.3 论文的立题依据和主要研究内容
•     1.3.1 立题依据
•     1.3.2 主要研究内容
• 第二章 无锡地区土壤微生物群落生物多样性
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 研究区域与样品采集
•     2.2.2 仪器
•     2.2.3 土壤理化性质检测
•     2.2.4 DNA提取、扩增及测序
•     2.2.5 序列处理
•     2.2.6 数据分析
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 根际土壤样品测序数据结果与分析
•     2.3.2 土壤样品的理化性质
•     2.3.3 土壤样品的细菌群落组成
•     2.3.4 不同类型树木根际微生物的相似性与差异性
•     2.3.5 相关性网络分析
•     2.3.6 环境因子对微生物多样性的影响
•     2.3.7 土壤养分对土壤pH的影响
•     2.3.8 微生物群落和环境变量之间的关系
•   2.4 本章小结
• 第三章 福建安溪地区土壤微生物群落多样性
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 研究区域与样品采集
•     3.2.2 仪器设备
•     3.2.3 土壤理化性质检测
•     3.2.4 DNA提取、扩增及测序
•     3.2.5 序列处理
•     3.2.6 生物信息学分析
•     3.2.7 相关性网络分析
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 土壤微生物群落多样性
•     3.3.2 土壤理化性质
•     3.3.3 不同土壤样品间微生物类群的差异
•     3.3.4 微生物群落结构的相关性网络分析
•     3.3.5 微生物群落与环境因子之间的相关性
•   3.4 本章小结
• 第四章 赣南稀土尾矿复垦区土壤微生物群落多样性
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 研究区域与样品采集
•     4.2.2 仪器设备
•     4.2.3 土壤理化性质检测
•     4.2.4 DNA提取、扩增及测序
•     4.2.5 序列处理
•     4.2.6 生物信息学分析
•     4.2.7 相关性网络分析
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 土壤微生物群落多样性
•     4.3.2 不同土壤样品理化性质差异
•     4.3.3 不同土壤样品微生物类群的差异
•     4.3.4 微生物群落结构的相关性网络分析
•     4.3.5 微生物群落与环境因子之间的关系
•     4.3.6 微生物群落多样性与环境因子之间的关系
•   4.4 本章小结
• 第五章 生物修复对稀土尾矿土壤细菌多样性的影响
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 研究区域与样品采集
•     5.2.2 菌种
•     5.2.3 仪器设备
•     5.2.4 实验试剂
•     5.2.5 培养基
•     5.2.6 植物促生菌剂制备
•     5.2.7 土壤理化性质及酶活性分析
•     5.2.8 DNA提取、扩增及测序
•     5.2.9 序列处理
•     5.2.10 生物信息学和统计分析
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 土壤微生物群落多样性
•     5.3.2 主坐标轴分析
•     5.3.3 土壤样品中的细菌群落组成及差异
•     5.3.4 土壤理化性质及酶活性
•     5.3.5 微生物群落多样性与环境变量的关系
•     5.3.6 微生物群落组成与环境变量的关系
•     5.3.7 土壤理化性质与优势菌门的关系
•     5.3.8 土壤理化性质与优势菌纲的关系
•   5.4 本章小结
• 第六章 尾矿土壤在不同修复阶段微生物群落多样性分析
•   6.1 引言
•   6.2 材料与方法
•     6.2.1 土壤样品
•     6.2.2 仪器设备
•     6.2.3 土壤理化性质检测
•     6.2.4 DNA提取、扩增及测序
•     6.2.5 序列处理
•     6.2.6 生物信息学分析
•     6.2.7 统计分析
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 土壤微生物群落多样性
•     6.3.2 不同修复区土壤理化性质
•     6.3.3 微生物在不同分类水平上的差异
•     6.3.4 环境变量对微生物群落结构的影响
•     6.3.5 微生物群落多样性与环境变量的关系
•   6.4 本章小结
• 主要结论与展望
•   主要结论
•   展望
• 论文主要创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ:作者在攻读博士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 魏志文

导师: 廖祥儒

关键词: 稀土尾矿,生物修复,高通量测序,微生物群落组成,土壤理化性质,细菌多样性

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,矿业工程,矿业工程

单位: 江南大学

分类号: Q938;TD88;TD926.4

DOI: 10.27169/d.cnki.gwqgu.2019.000055

总页数: 100

文件大小: 7210K

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