基于DNA-稳定同位素探针技术的植物根际PAEs降解功能微生物研究

The large use of agricultural facilities consisting of phthalic acid esters (PAEs) results in the release of massive PAEs into farmland soil, which poses a great threat to ecosystem and agriculture products security. PAEs biodegradation by microorganisms in soil is an important way for PAEs dissipation in nature. Rhizosphere is the most active region for PAEs biodegradation in soil. Investigating the effects of rhizosphere on the biodegradation of PAEs，exploring the potential high efficient PCBs-degrading microbes and clarifying the mechanism of degradation are of great significance for the bioremediation of PAEs contaminated soils. Stable isotope probing (SIP) provide a powerful tool for directly linking identity with function in complex media, which circumvents the limitation of isolation and cultivation. With the aid of in situ labeling of soils from rhizosphere and non-rhizosphere, this work aims to identify the PAEs degraders and degrading genes in typical PAEs contaminated agricultural soil, reveal the potential degrading mechanisms, and elaborate the rhizospheric effects on PAEs biodegradation. Potential microbial species and insights on the rhizoremediation of PAEs contaminated soils are hoped to be provided.

农用地膜等农用设施的大量使用导致农田土壤邻苯二甲酸酯类（PAEs）化合物污染严重，威胁农田生态系统和农产品安全。微生物降解是土壤中PAEs消减和矿化的主要途径。植物根际是土壤PAEs微生物降解最旺盛的区域。发掘潜在高效PAEs降解微生物、明确其在降解过程中的作用和机制，揭示根际效应对PAEs微生物降解的影响对污染农田土壤生物修复具有重要意义。稳定性同位素探针技术（SIP）克服了传统分离纯培养技术的局限，能够在原位条件下将未知微生物种群和其功能直接联系。本项目拟以典型PAEs污染土壤为研究对象，开展根际和非根际土壤同步SIP实验，研究典型PAEs的微生物降解，明确PAEs降解过程中功能微生物组成和动态变化，结合降解基因分析，揭示其降解过程和降解机制，通过对比根际和非根际差异阐明植物根际效应对PAEs微生物降解的影响；为PAEs污染土壤的根际修复提供微生物资源和理论依据。

微生物降解是土壤中PAEs消减和矿化的主要途径。植物根际是土壤PAEs微生物降解最旺盛的区域。发掘潜在高效PAEs降解微生物、明确其在降解过程中的作用和机制，揭示根际效应对PAEs微生物降解的影响对污染农田土壤生物修复具有重要意义。本项目探究了根际效应对PAEs微生物降解的影响，并通过稳定性同位素探针技术(SIP)原位鉴定PAEs降解功能菌及功能基因，揭示了根际效应的作用机制。研究以农田土壤中广泛存在且含量较高的DEHP为PAEs的代表化合物，以常见农作物玉米和花生为模式植物开展研究。结果表明，种植玉米和花生能够提高土壤DEHP降解效率。植物根系可改善微生物生长环境、提供营养物质，刺激微生物生长，增加群落稳定性及微生物之间的相互作用，促进微生物之间竞争。此外，土壤微生物群落功能也受到影响，植物提高了根际土壤中与微生物氮、碳、硫、甲烷、外源污染物代谢能力及信号传导能力相关基因的丰度。在前期研究基础上，发展现有DNA-SIP技术并将其成功应用于根际DEHP降解功能微生物研究，首次证实了多种菌株对DEHP的代谢能力。根际土壤功能微生物群落组成不同与非根际土壤，多样性和相对丰度较非根际低。根际效应改变了功能微生物与群落中成员的相互作用关系，增强了功能微生物与其他细菌的联系，提高了其中负相互作用的比例。根际土中功能微生物与主导微生物呈负相互作用，不同与非根际土中功能微生物与主导微生物的正相互作用。通过同位素标记DNA的宏基因组测序分析鉴定到三种新型功能基因，并发现根际和非根际功能基因不同，表明根际和非根际DEHP代谢途径不同。对功能菌和功能基因的定量分析表明，植物可通过根际效应刺激功能微生物生长，提高其丰度，增加功能基因的合成，从而促进DEHP降解。此外，本项目分离得到两株SIP鉴定到的参与土壤中DEHP降解的菌株，且在无机盐培养基中表现出良好的DEHP降解能力。本项目可为PAEs污染土壤的根际修复提供微生物资源、理论依据和可行性手段。