铬(Ⅵ)污染环境微生物群落的协同应答机理研究

20% of soil and underground water contamination in China is caused by chromium containing effluents and solid wastes. Compared with the lab experiment, the on-site microbial remediation of Cr(Ⅵ) contamination was less efficient and the strains reducing Cr(Ⅵ) were less adaptable. Meanwhile, rare research reported the synergistic interaction in microbial community of Cr(Ⅵ) contaminated environment recently. Thus, the above situation leads to rare referencing information of microbial molecular ecology on different level and form of Cr(Ⅵ) contamination when choosing microbial remediation methods and strategies. In view of this, we are going to apply the second generation high-throughput sequencing technologies to investigate the synergistic response mechanism of microbial community to different Cr(Ⅵ) contaminated environment, to reveal the microbial community structure, population richness and phylogenetic relationship, to construct Cr(Ⅵ) reduction related Molecular Ecological Networks, and to study the synergistic interaction among different microorganism groups combining with biostatistical analysis of environmental factors. The above research can clarify the synergistic interaction among different microorganism groups and the influences caused by environmental factors in Cr(Ⅵ) contaminated environment, verify the microbial ecological mechanism on interaction among different microorganism groups in heavy metal contaminated environment, and provides scientific basis and reference resources for choosing appropriate microbial enhancing method and bioremediation strategy on microbial remediating Cr(Ⅵ) contaminated environment around factories and mines.

我国20%以上的土壤和地下水污染由含铬废弃物造成，目前对六价铬污染环境的微生物还原修复存在现场还原铬(Ⅵ)的效率较实验室低、菌种适应能力较差的问题，且鲜有关于此环境微生物群落协同还原Cr(Ⅵ)的群体响应机理的深入报道，导致在选择生物修复手段及修复策略时，针对不同铬污染形式和程度鲜有能相互借鉴的微生物分子生态学参考信息。有鉴于此，我们拟运用第二代高通量测序等手段深入研究微生物群落对不同铬污染环境的协同应答机理，揭示其中微生物群落结构、种群丰度和系统发育关系，构建与铬(Ⅵ)还原相关的微生物分子生态网络，并结合环境因子的生物统计学分析研究与铬(Ⅵ)还原有关的微生物类群之间的协同作用，以阐明铬污染环境中不同微生物类群之间的协同关系以及环境因子对其的影响，验证自然状态重金属协迫时微生物类群之间相互作用的微生物生态学相关机理，为生物修复铬污染厂矿及周边环境时选择微生物强化手段及修复策略提供依据与参考。

铬污染严重危害生态环境的可持续发展，微生物是重要的环境健康指示剂；然而，对严重铬污染环境下微生物群落特征以及微生物耐铬机理仍缺乏系统的认识，本研究以废弃铬盐厂场地土壤为研究对象，利用高通量测序研究长期铬渣堆积对土壤细菌和真菌群落的影响；进一步，从铬渣中筛选出高耐铬菌株，利用qPCR和PICRUSt等方法解析微生物的协同耐铬机理。研究结果表明，铬污染显著影响了土壤细菌群落，污染土壤中放线菌相对丰度显著高于未污染土壤，以Streptomyces, Microcella 和.Arthrobacter 等属为主的放线菌具有很强的耐铬能力，它们在与Lactococcus属和Actinosynnema属的细菌协同作用，共同抵抗高度铬污染对自身和微生物群落的影响；PICRUSt的功能预测表明铬转运蛋白基因的丰度在有铬渣堆积的土壤中显著增加，与定量PCR的结果一致。对铬污染土壤中真菌群落研究的结果显示，铬污染改变了土壤真菌群落的组成，但对真菌群落多样性没有显著性影响，土壤中Aspergillus、Candida、 Trichosporon 等真菌丰度发生较大改变，是协同抗铬的主要真菌类群。CCA分析表明影响细菌和真菌群落的铬形态主要是弱酸结合态和有机质结合态，其原因是弱酸结合态铬的生物可利用性强，而有机结合态铬改变降低了土壤有机质的生物可利用性；进一步从铬渣中筛选分离到5株有强耐铬能力的细菌，根据16S rDNA鉴定分别命名为：Microcella sp. CSU1, Actinosynnema sp. CSU, Arthrobacter sp. CSU, Streptomyces sp. CSU和Microcella sp. CSU2；其中Microcella sp. CSU2和Streptomyces sp. CSU具有六价铬还原能力，同时研究还发现细菌的耐铬能力与铬转运蛋白基因ChrA6、Chr1NCa、ChrA1b、ChrA1a、Chr1NCb密切相关，其中ChrA6对细菌耐铬的贡献最大。该研究为铬污染场地的微生物修复提供了重要的理论支持。