铜矿尾砂库胡枝子根际微生物群落结构及其对重金属的分子响应

Dexing copper mine has the largest tailings of Asia. The high contents of heavy metal and poor nutrient elements restrict plant growth. As "pioneer plant" in mining wasteland restoration, the leguminous shrub, Lespedeza, show good restoration effect in tailings. Rhizosphere microbes affect plant growth and reproduction in heavy metal contaminated soil. However, plant rhizosphere microbial community structure and microbial functional gene are poorly understood due to the limit of culture and detection of microbe. Based on the development of microbial high throughput sequencing technology, so the objectives of the study is to 1) the differences of the rhizosphere microbial community structure, genes composition and functional diversity in different growth stages of Lespedeza bicolor in copper tailings by metagenomic sequencing technology; 2) study the rule of transformation, migration and absorption of heavy metal between soil and plant，and distribution characteristics of nutrient elements in the process of growth and development of Lespedeza in copper tailings; 3) screen the genes and microbial flora related with heavy metal activation and absorption using correlation analysis, and explore the interaction mechanism between plant, rhizosphere Microorganism, and heavy metal in the process of tailings reclamation with Lespedeza. This study will not only provide the theory instruction about succession of microbial evolution strategy in ecological reconstruction of tailing sand reservoirs, but also provide the guidance for bioremediation of metal tailing reservoirs.

德兴铜矿拥有亚洲最大的尾砂库，重金属含量过高、营养物质贫瘠等因素限制了植物的生长。豆科灌木胡枝子，作为矿区废弃地修复的“先锋植物”，在尾砂库表现出良好的修复效果。植物根际微生物影响着植物在重金属污染土壤的生长、繁殖，但因微生物培养、检测技术的限制，人们对修复植物根际微生物群落结构及功能基因组成所知甚少。本项目基于先进的微生物高通量测序技术，开展以下三方面研究：①采用宏基因组测序技术，研究胡枝子在金属尾砂适应生长过程其根际微生物群落结构、基因组成及功能多样性变化规律；②研究重金属元素在胡枝子和土壤界面的转化、迁移规律及营养元素分配特征；③利用相关性分析，筛选与重金属活化、吸收相关的微生物基因及归属菌群，探讨尾砂修复过程胡枝子-根际微生物-重金属的相互作用机制。项目的实施不仅为尾砂库生态重建的适应进化策略提供了理论依据，也为金属尾砂库的植物和微生物的复合修复实践提供了指导。

德兴铜矿是亚洲最大的铜矿，长期的矿产开发产生了大量尾砂堆积地和废弃矿渣堆积地，其恶劣的土壤环境限制了植物的生长。本研究基于前期先锋植物修复结果，利用新一代宏基因组测序技术，系统开展不同修复植物、同一修复植物胡枝子不同生长季节、不同修复方式根际微生物群落结构、生态功能特征等方面的研究。结果表明，与草本植物相比，胡枝子对土壤的营养改良作用显著，胡枝子根系微生物群落结构显著区别于草本植物，其根际富集大量与重金属耐性和营养转化调控的微生物菌群；此外，胡枝子根际微生物受温度、水分等其他环境因素影响，虽然微生物群落结构组成在phylum水平差异不显著，但3月份微生物多样性显著高于7月份。另一方面，湿地松在覆土和未覆土的土壤环境下微生物群落组成和多样性存在差异，覆土种植的湿地松根际土壤（PCS）微生物多样性显著高于未覆土种植的根际土壤（PDP)，Actinobacteria在PDP中物种丰度显著高于PCS，Acidobacteria，Chloroflexi在PCS中相对丰度显著高于PDP，且PDP中占总丰度超过1%的只有属比PCS中多，说明PCS微生物结构较均衡。PDP中重金属Cu、Zn、Pb、Mg含量显著高于PCS，这些元素对细菌门属的影响基本表现为协同作用，高浓度的金属含量抑制Acidobacteria, Proteobacteria等种群，而Actinobacteria, Firmicutes, Candidatus Verstraeteatchaeota等优势细菌门与其呈正相关。细胞过程的基因丰度与Zn、Pb、Mg、Cu等元素呈正相关，环境信息加工、新陈代谢、人类疾病等代谢功能丰度与之呈负相关。而土壤营养等理化因子与代谢功能的相关性聚类成两个不同的类别， AN、OM与Environmental Information Processing、Metabolism、Human Diseases 代谢功能丰度呈负相关，pH, TK, AP与此三大功能类别均呈正相关；与之对应的是，Cellular Process代谢功能丰度与AN,OM 呈正相关，与pH, TK, AP呈负相关，说明营养物质对微生物作用具有一定拮抗竞争作用。研究的实施和完成为胡枝子、湿地松等先锋修复植物在矿区废弃地开展生态修复，完善矿区生态修复方案提供了理论依据。