2021-08-30
期刊：《Journal of Hazardous Materials》
影響因子：10.588
最近，派森諾與石河子大學(xué)合作，在《Journal of Hazardous Materials》上發(fā)表論文，研究了鎘（Cd）脅迫下聚合物改良劑對土壤微生物演替和生態(tài)位分化的代謝調(diào)控。本研究使用派森諾基因云的微生物組QIIME 2分析平臺（www.genescloud.cn），并通過菌群+代謝的多組學(xué)整合研究方法，主要探討了3個(gè)問題：
1. 在Cd污染土壤中，應(yīng)用聚合物改良劑對土壤生物多樣性和微生物群落演替的影響是什么？
2. 不同Cd組分環(huán)境下，土壤生態(tài)位分化對聚合物改良劑的響應(yīng)是否不同？
3. 聚合物改良劑如何通過土壤微生物群落演替和生態(tài)位分化來調(diào)節(jié)土壤代謝，降低Cd對植物的脅迫？
研究背景與思路
鎘污染嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。高濃度Cd，特別是交換性Cd（Ex-Cd）會(huì)嚴(yán)重影響土壤微環(huán)境。因此探索土壤微環(huán)境對鎘污染土壤的響應(yīng)具有重要意義；
固體改良劑雖然可以有效降低Ex-Cd濃度，但是它并不是完全水溶性的，不能通過滴灌系統(tǒng)應(yīng)用。而聚合物改良劑具有水溶性高、吸附效率高、利用率高等特點(diǎn)，可在滴灌系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，從而可取代固體改良劑；
測定土壤微生物群落組成可以驗(yàn)證改良劑對鎘污染土壤的影響。此外，土壤線蟲與土壤微生物之間存在較強(qiáng)的相互作用，土壤微生物可以影響線蟲對Cd脅迫的響應(yīng)。因此，土壤中Cd濃度的變化可以通過土壤微生物和線蟲來反映；
土壤代謝組學(xué)可以將有機(jī)/無機(jī)化合物與土壤微生物群落結(jié)合起來，全面解釋土壤微生物的實(shí)際功能。此外，土壤代謝物可作為土壤污染的生物標(biāo)志物，蘋果酸、富馬酸、天冬氨酸和谷氨酸在土壤Cd遷移中起主要作用，這些代謝物也是微生物碳和能量的來源。因此，分析土壤微生物群落組成和土壤代謝產(chǎn)物有助于深入了解土壤中復(fù)雜的生物通路；
棉花是主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，它對土壤中Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累作用顯著。開花期和鈴期是棉花生長的旺盛時(shí)期，棉花在這一時(shí)期也大力吸收和運(yùn)輸Cd。已有研究證實(shí)，作物生育期對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著影響，根際微生物數(shù)量高峰出現(xiàn)在開花期和成鈴期。因此，探索棉花花期利用液體聚合物改良劑修復(fù)Cd污染土壤的機(jī)理，闡明其潛在的生物學(xué)機(jī)制具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)對象：根際土壤
測序平臺：Illumina NovaSeq-PE250
測序區(qū)域：細(xì)菌16S rRNA基因V3V4區(qū)、真菌ITS1區(qū)、線蟲18S rRNA基因
分析方法：基于QIIME 2的派森諾基因云分析（結(jié)合DADA2序列處理得到ASV）
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：
通過田間盆栽試驗(yàn)，研究自制的聚合物改良劑施用后土壤性質(zhì)、土壤酶活性、微生物和線蟲群落、土壤代謝組學(xué)的變化，以及土壤性質(zhì)、微生物和線蟲群落之間的關(guān)系。
1. 土壤性質(zhì)測定——傅里葉變換紅外光譜（FTIR）
該數(shù)據(jù)代表了不同處理下土壤FTIR光譜中主要吸收峰的相對強(qiáng)度。PA處理下，增強(qiáng)了土壤硅酸鹽中Si-O-Si的v3拉伸振動(dòng)和苯環(huán)=C-H的非平面（搖擺）變角振動(dòng)。苯環(huán)可與金屬離子形成表面絡(luò)合；硅酸鹽可降低Cd的毒性。因此，研究推測，聚合物改良劑可降低土壤中Cd的生物有效性。
2. 聚合物改良劑對鎘污染土壤中鎘組分及土壤性質(zhì)的影響
通過測定不同處理下根系生長指標(biāo)、Cd濃度變化、土壤的理化性質(zhì)等，發(fā)現(xiàn)與CK相比，Cd處理降低了根重和根體積，提高了根中Cd濃度（Ex-Cd、Carb-Cd、Ox-Cd、Org-Cd和Res-Cd）；土壤有機(jī)碳濃度、有機(jī)碳儲量、氮濃度和氮儲量降低，C/N比增加（Ex-Cd濃度的增加主要是由于土壤C/N比增加，說明較高的C/N比可以提高Cd的生物有效性）。
與Cd處理相比，PA處理下根體積增加了12.31%，Ex-Cd的濃度降低了41.43%，而Carb-Cd、Org-Cd和Res-Cd的濃度分別增加了146.27%、8.66%、76.00%；土壤中有機(jī)碳濃度、有機(jī)碳儲量、氮濃度和氮儲量增加，C/N比降低。最后的相關(guān)分析表明，根體積與Ex-Cd呈負(fù)相關(guān)；根重與Ex-Cd、Org-Cd呈負(fù)相關(guān)；根中Cd濃度與Ex-Cd、Carb-Cd、Ox-Cd、Org-Cd和Res-Cd都呈正相關(guān)。綜上說明，該聚合物改良劑可調(diào)節(jié)鎘污染土壤的Cd組分和土壤性質(zhì)。
3. 聚合物改良劑對鎘污染土壤中微生物群落的影響
首先，通過測定土壤中細(xì)菌和真菌多樣性組成譜，以反映不同處理下的菌群變化。其中，放線菌可以通過改變根際Cd的形態(tài)來改變Cd的生物有效性。為了探討放線菌對Cd的響應(yīng)，從細(xì)菌群落中分離放線菌群落并單獨(dú)進(jìn)行分析。
通過PCoA分析發(fā)現(xiàn)，CK/Cd/PA三組之間有顯著差異。同時(shí)，通過Alpha多樣性分析可以看出，與CK相比，Cd處理下的細(xì)菌Chao1指數(shù)、真菌Shannon指數(shù)和真菌Pielou_e指數(shù)均有所降低；而在PA處理下，細(xì)菌Chao1指數(shù)、細(xì)菌Shannon指數(shù)、真菌Shannon指數(shù)、真菌Pielou_e指數(shù)和放線菌Chao1指數(shù)均有增加。以上結(jié)果表明，PA和Cd組中菌群發(fā)生了變化；進(jìn)而通過LEfSe分析，尋找不同處理下土壤中關(guān)鍵微生物群落的差異，結(jié)果再次表明PA可改變Cd污染土壤中菌群的組成。
4. 聚合物改良劑對鎘污染土壤中線蟲群落的影響
對土壤中線蟲群落多樣性組成譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與CK相比，Cd處理下線蟲群落的Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)、Pielou_e指數(shù)均降低；而在PA處理下這些指數(shù)均有所增加，與Cd組形成鮮明對比。同時(shí)，PCoA分析也反映出Cd組和PA組之間有顯著差異。
通過LEfSe分析，篩選到23種線蟲，包括10種細(xì)菌線蟲（Ba）、4種真菌線蟲（Fu）、5種植物寄生線蟲（PP）和4種捕食者雜食線蟲（OP）。在三種不同的處理下，發(fā)現(xiàn)CK組中Prismatolaimus（Ba）和Boleodorus（Pp）豐度更高；Cd組Helicotylenchus（Pp）和Rhabdolaimus（Ba）豐度更高；PA組Aphelenchus（Fu）豐度更高。結(jié)合上述細(xì)菌、真菌群落的分析結(jié)果可知 ，PA處理下的生物群落演替以關(guān)鍵細(xì)菌（Flaviaesturariibacter、Rubellimicrobium和Cnuella）、關(guān)鍵真菌（Verticillium和Tricharina）、關(guān)鍵放線菌（Blastococcus和Nocardioides）和關(guān)鍵線蟲（Aphelenchus）為主，表明該聚合物改良劑可以調(diào)控特定微生物群落的相對豐度，改變Cd污染土壤的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
本研究還通過相關(guān)性分析，進(jìn)一步尋找不同取食偏好的線蟲和菌群之間的相關(guān)性。
5. 聚合物改良劑對鎘污染土壤中核苷酸和碳水化合物代謝的影響
本研究同時(shí)通過代謝組學(xué)分析，獲得不同處理下的差異代謝物。為進(jìn)一步了解這些DEMs之間的相互作用，進(jìn)行KEGG富集分析及土壤中核苷酸和碳水化合物代謝網(wǎng)絡(luò)分析。結(jié)果表明，Cd污染顯著抑制了核苷酸的代謝途徑，這可能導(dǎo)致核苷酸代謝異常。然而，聚合物改良劑的應(yīng)用調(diào)控了Cd污染土壤中微生物碳水化合物和核苷酸的代謝途徑，加強(qiáng)了土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)。
6. 土壤微生物、線蟲、土壤特性與代謝物的關(guān)系
由于土壤微生物群落和線蟲群落對不同處理的響應(yīng)不同，土壤微生物群落、關(guān)鍵微生物群落和線蟲群落、代謝產(chǎn)物和根系特征之間的相互作用也存在差異。因此，可以通過共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出它們之間較為復(fù)雜的相互作用。結(jié)果表明，在Cd處理下，土壤性質(zhì)的變化主要受到土壤代謝物（腎上腺素、D-果糖、蔗糖、乳梨糖和乙酰乙酸）的影響；同時(shí)，關(guān)鍵細(xì)菌（Steroidobacter、Longimicrobiaceae、Saccharimonadales）、關(guān)鍵放線菌（Nonomuraea）和關(guān)鍵線蟲（Rhabdolaimus）也對土壤特性的變化響應(yīng)積極，從而形成新的生態(tài)位。PA處理調(diào)節(jié)了土壤特性，并與特定的菌群（與LEfSe分析的結(jié)果一致）和代謝物（二氫尿嘧啶和4-羥基肉桂酸）相互作用。同時(shí)，LEfSe分析顯示，PA處理中Verticillium和Tricharina的相對豐度遠(yuǎn)高于CK組和Cd處理組，網(wǎng)絡(luò)分析也顯示Verticillium和Tricharina與土壤特性密切相關(guān)，說明該聚合物改良劑對真菌Verticillium和Tricharina有顯著的調(diào)控作用，提示真菌通過聚集和菌根締合在土壤理化肥力中發(fā)揮重要功能。
1) 首先，聚合物改良劑可以改善土壤微生物、碳水化合物和核苷酸的代謝，調(diào)節(jié)碳水化合物和核苷酸的代謝途徑，優(yōu)化微生物與線蟲群落的關(guān)系和土壤特征；
2) 其次，聚合物改良劑的化學(xué)官能團(tuán)（苯環(huán)、硅酸鹽和CO32-可以降低土壤中Cd的生物有效性，而Cd組分的變化將進(jìn)一步導(dǎo)致土壤生態(tài)位的變化；
3) 同時(shí)，聚合物改良劑可通過刺激Verticillium和Tricharina，以減少Cd脅迫。
總之，本研究證明了該液體聚合物改良劑可以有效地降低土壤中Cd的毒性，可用于農(nóng)田重金屬的修復(fù)，因而具有重要的實(shí)踐意義。
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