2024-10-06
文章題目：Sanitary landfill improved CNPS microbial functional gene abundance compared to non-sanitary landfill 期刊：Journal of Soils and Sediments 發表時間：2019年7月
PART/1、研究背景 在現代社會，城市垃圾的處理成為了一個重要的環境議題。每天大量的城市垃圾被運往垃圾填埋場進行堆肥處理，這一過程悄然改變著垃圾填埋場覆蓋土壤微生物群落的結構和組成。在我國，符合衛生標準的垃圾填埋場為了減少對環境的危害采用了一系列防護措施，如高密度聚乙烯膜和土工復合材料，以及完善的排水和防污染襯墊系統等。然而，部分城市仍然存在不符合衛生標準填埋場，由于缺乏防護設施，有毒氣體和滲濾液直接排放到土壤中，通過一系列化學反應，產生了CH4、CO2、NH3、N2O和H2S等有害氣體；同時，外源有機化合物和重金屬也是主要的毒性來源，這些不僅對土壤造成污染，破壞土壤微生物群落的平衡，還威脅著人類的健康，所以探究有效的治理方式勢在必行。 微生物在養分循環中發揮著關鍵作用，其功能基因豐度的變化對于了解土壤生態系統的健康和穩定性具有重要意義。但目前對于碳、氮、磷、硫（CNPS）功能基因的了解還不夠全面，其相對豐度和趨勢仍有待探索。高通量定量聚合酶鏈式反應（qPCR）芯片技術的出現，為精確、高效地檢測大量功能基因提供了可能，同時為垃圾填埋場的優化管理和環境保護提供了科學依據。
PART/2、研究思路
PART/3、研究結果展示 土壤性質 結果表明，符合衛生標準的垃圾埋場和不符合衛生標準的垃圾填埋場覆蓋土壤均呈堿性，符合衛生標準的垃圾填埋場土壤 pH 值更穩定，DOC、AN 和 AS 含量略高，但是，六種重金屬含量在兩種垃圾填埋場類型間無顯著差異，且均低于中國土壤環境質量二級標準。 表1 SL和NSL垃圾填埋場覆蓋土壤的基本性質和重金屬含量 NSL和SL中的1、2、3分別表示表層土、底土和深層土，下同。a、 b表示在以下條件下土壤樣本之間的顯著差異P<0.05。 CNPS 功能基因 C循環 檢測基因及其功能：共測量了35個參與碳循環的功能基因（圖1）。結果顯示：在40-60cm土壤樣本中未檢測到參與淀粉降解的 amyX 和 Isop 基因；參與纖維素降解的 naglu 基因和參與幾丁質降解的exc基因；在 SL 表層土壤中，參與木質素降解的pox基因和 mcrA 基因豐度顯著高于 SL 表層土壤；在NSL和SL的底土中，與淀粉降解有關的基因gam；參與半纖維素降解的基因ablf、manA和xylA；參與木質素降解的基因lig和mnp；參與C固定的基因aclB、acsA、acsE、korA、mct和rbcL；參與甲烷產生的基因emGDH以及在甲烷氧化中起作用的基因mmox和pmoA在基因豐度上存在顯著差異（P<0.05）。就深層土壤而言，除pox基因，SL的所有基因的豐度均顯著高于NSL（P<0.05）。 基因豐度變化趨勢：在NSL和SL中檢測到的C循環基因的平均拷貝數分別為1.48×109copies/g和2.98×109copies/g。從SL表層土到深層土，C降解、C固定以及甲烷代謝相關基因豐度呈下降趨勢。這些基因在NSL表層土和底土之間差異不大，但在深層土中基因豐度明顯降低。除此之外，在深層土，除pox基因外，SL組所有基因豐度顯著高于NSL 組。 圖1垃圾填埋場土壤中碳功能基因豐度。a碳降解基因豐度。A、 B、C、D、E和F分別表示與淀粉、半纖維素、纖維素、果膠、幾丁質和木質素有關的基因。b固碳和甲烷代謝基因豐度；A、 B和C分別表示與碳固定、產甲烷和甲烷氧化相關的基因。*、**和***分別表示土壤樣本之間的顯著差異P<0.05、P<0.01和P<0.001。誤差棒表示土壤沉積物基因豐度的標準偏差（n=3）。 N循環 檢測基因及其功能：檢測了參與氮循環過程的22個基因，如固氮、硝化、反硝化、氨化和氮氧化還原等。 基因豐度變化：在不符合衛生標準或符合衛生標準的垃圾填埋土壤中均未檢測到hzo和hzsA基因（圖2a）。NSL和SL中檢測到的N循環基因的平均拷貝數分別為每克土壤1.42×109 copies/g和2.82×109 copies/g。對這20個基因在3個土壤層中的豐度進行比較后發現，SL和NSL的表層土壤基因豐度沒有顯著差異。然而，在SL底土中，nifH、amoA1、amoB、nirK2、nirS、nosZ、ureC和gdh基因的豐度顯著較高（P<0.05）。在SL深層土壤中，除nxrA基因外，其他所有檢測到的基因的豐度均顯著較高（P<0.05）。 P循環 參與基因及功能：檢測了與磷礦化、增溶、生物合成和水解相關的9個功能基因。 基因豐度變化：檢測到7個基因（不包括bpp和cphy基因），NSL和SL中檢測到的P循環基因的平均拷貝數分別為1.82×109 copies/g和3.54×109 copies/g（圖2b）。SL表層土壤中phoD和ppx基因豐度明顯較高。在SL底土中，磷礦化相關基因phnk和phoD以及磷水解相關基因ppx顯著較高。另外，檢測的所有基因在SL深層土的豐度均顯著高于NSL深層土（P<0.01）。 S硫循環 參與基因及功能：共檢測5個基因，其中3個基因（apsA、dsrA和dsrB）與硫還原有關，2個基因（SoxY和edZ）與硫氧化有關。 基因豐度變化：NSL和SL中檢測到的S循環相關基因的平均拷貝數分別為1.51×109 copies/g和3.02×109copies/g（圖。2c）。在40-60cm土層中apsA基因在SL 的表達水平顯著較高（P<0.05）。在SL底土和深層土壤中，SoxY和YedZ基因豐度顯著較高（P<0.05），且SL深層土壤中dsrA和dsrB基因豐度顯著高于NSL（P<0.05）。 圖2垃圾填埋場土壤中的基因豐度。a參與N循環的功能基因。A、 B、C、D、E、F、G和H分別表示固氮、硝化、反硝化、氨化、厭氧銨氧化、同化氮還原、異化氮還原和有機氮礦化相關的基因。b 參與P循環的功能基因。A、 B、C和D分別表示磷礦化、增溶、生物合成和水解相關的基因。c 參與S循環的功能基因。*、**和***分別表示土壤樣本之間的顯著差異P<0.05、P<0.01和P<0.001。誤差條表示基因豐度的標準偏差（n=3）。 基因豐度與土壤性質的相關性 為了評估CNPS功能基因與土壤性質之間的相關性，通過Mantel檢驗進行驗證（表2）。結果表明，功能基因與一些環境因素顯著相關（P<0.05），尤其是pH、DOC、AN和AS。此外，單獨驗證C、N、P和S基因和pH、DOC、AN、AP和AS，結果顯示，除AP外，所有營養元素的利用性均與CNPS功能基因豐度顯著相關（P<0.05）。最顯著的因素是AN（P=0.001）。微生物基因與DOC或AS的相關性較弱（P<0.05）。并且，土壤中存在的六種重金屬均與CNPS基因豐度沒有顯著關系。 表2:CNPS功能基因豐度和土壤的Mantel檢驗化學性質。 利用VPA分析方法，通過15種土壤化學性質（SOM、DOC、TN、TP、TS、AN、AP、AS、Cu、Cd、Cr、Zn、Ni和Hg）闡明CNPS基因豐度的百分比方差。結果表明，6種重金屬和9種基本性質分別占總方差的14.1%和62.3%（圖3a），pH值和DOC分別占總方差的11.2%和26.9%（圖3b），AN貢獻了總方差中的56.9%，7種基本性質（SOM、DOC、TN、TP、TS、AP和AS）占總變異的55.3%，AN與7種基本屬性之間的相互作用占總方差（圖3c）的53.8%。Mantel檢驗和VPA結果表明，AN（尤其是AN）、DOC和pH是與CNPS功能基因豐度相關的主要因素。 圖3基于高通量QPCR所檢測CNPS功能基因豐度的VPA分析。土壤基本性質包括pH、SOM、DOC、TN、AN、TP、AP、TS和AS；土壤重金屬有Cu、Cd、Cr、Zn、Ni和Hg。數字代表這些因素占總變量的百分比。七種基本土壤性質是SOM、DOC、TN、TP、AP、TS和AS。
PART/4、總結 本研究表明，符合衛生標準的垃圾填埋場能提高 CNPS 微生物功能基因豐度，與以往研究對比，本研究中垃圾填埋場表層土壤的 CNPS 功能基因豐度高于農場和河流沉積物表層土壤；同時，填埋類型也會影響功能基因豐度，不符合衛生垃圾填埋場因缺乏防護導致長期有毒厭氧環境，抑制了微生物功能基因表達；其次，土壤深度是影響基因豐度的重要因素，深層土壤因厭氧條件限制微生物活性，導致基因豐度下降；本研究中功能基因豐度與土壤 pH 值、DOC、AN 和 AS 顯著相關，土壤重金屬影響不明顯（可能是由于所取樣本中的重金屬濃度低）。本研究借助高通量 qPCR 芯片技術，成功揭示了符合衛生標準的垃圾填埋和不符合衛生標準的垃圾填埋場中 CNPS 微生物功能基因豐度的差異及其與土壤性質的關系。該技術的應用為垃圾填埋場的科學管理和生態保護提供了精確而全面的數據支持，展示了其在環境微生物研究領域的巨大潛力。
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