红壤区农村浅层酸化地下水中微生物对酸化环境响应的分子生态学机制研究

Acidification of groundwater has become one of the most serious problems in the shallow groundwater as the drinking water source in the area of acid red soil. This project intends to research the characteristics of microbial community structure under the acidic groundwater on the basis of full investigation and analysis of geochemical characteristics by using the combined method which include investigation, field sampling and laboratory simulation test, and in-depth study on the characteristics of indigenous microbial communities to analysis the microbial abundance and distribution characteristics, aiming to reveal the correlation between indigenous microbial population structure and the formation of acidification environment. Then, to isolate and screen the tolerance of indigenous microorganism and evaluate its characters, aiming to study the response molecular mechanism of the tolerance microorganism to acid environment. Finally, to study the migration process of heavy metals (e. g. Fe, Al, etc) and its effect on microbial community succession, and the adaptability difference to acid environment between acclimated bacteria and indigenous bacteria was studied using the experiment of microorganism-strengthen, aiming to explore the microbial mechanism in the formation of acidification environment under continuous acidification conditions. Based on the above studies, this project is expected to clarify the molecular ecological mechanisms response to the acid pollution environment in the rural shallow groundwater of typical red soil area. The results of this project can not only provide an important theoretical value to improve the remediation effect by using the principle of microbial remediation in the shallow groundwater of red soil area, but also made important implications for groundwater quality and use.

红壤区浅层地下水酸化已成为影响地下水作为饮用水源的严重问题之一。本项目以酸性红壤区农村浅层地下水为研究对象，运用野外调查、采样与室内模拟试验相结合的方法，在调查分析酸化地下水地球化学特征的基础上，研究地下水中微生物群落结构，分析微生物的种群丰度及分布特征，阐明土著微生物种群结构与酸化环境形成的相关性；同时对酸化地下水中的耐受性微生物进行分离鉴定，并表征其特征，阐明耐受性微生物适应酸化环境的分子机制；最后，在模拟持续酸化条件下研究Fe、Al等金属离子的迁移过程及其对微生物群落演替的影响，并利用微生物强化实验比较研究耐性菌和土著菌对地下水持续酸化环境的响应差异，揭示微生物在酸化环境形成中的作用机理。通过以上研究，可望阐明浅层酸化地下水中微生物对酸化环境响应的分子生态学机制。研究成果不仅能为红壤地区农村酸化地下水的微生物修复提供理论依据，还能为红壤地区农村地下水质量管理提供科学指导。

本项目以酸性红壤区农村浅层地下水为研究对象，运用野外调查、采样与室内模拟试验相结合的方法，研究微生物对酸化环境响应的分子生态学机制，开展了以下研究工作。（1）研究酸化地下水的地球化学特征，发现地下水酸化明显，NO3-、NO2-和NH4+及部分重金属的量高于地下水质量标准，pH与HCO3-、TDS、Na+、Mg2+、SO42-、Fe3+和Al3+等呈负相关。（2）分析了酸化地下水中微生物的群落结构特征。不同地下水样品中，微生物丰度相差很大，其中Proteobacteria在各个样品中都是所占比例最大；铝导致酸性红壤氨氧化古菌群落结构改变，高铝胁迫能促使氧氨氧化古菌发生适应性变化。（3）从红壤酸性地下水中分离到一株极强的耐酸耐金属细菌Klebsiella sp.H1，对Al、Fe和Cu等重金属具有耐受性。同时，发现地衣芽孢杆菌能产生大量碱性物质以提升培养液的pH值，并以自身细胞为模板，CaCl2为钙源，诱导无定型碳酸钙或球霰石型碳酸钙的形成，并在此过程中固持大量重金属Cd，可为酸性红壤Cd的生物修复提供新思路。（4）酸性模拟下酸雨淋溶下淋出液酸化程度越高，介质粒径越大，氨氮淋出量越多，Fe\Al\Cu\Mn离子浓度越高，淋滤液中金属离子浓度与pH、三氮、介质等存在显著相关性，Proteobacteria, Paesciabacteria, Actinobacteria和Acidobacteria是淋滤液中的优势细菌，其中硝化和反硝化种群较多的变形杆菌属占67.04%-74.69%，pH、NH4+-N、NO3-N和Mn是影响含水层微生物群落的主要水化学因素；（5）不同浓度酸性肥料处理下淋滤液中pH与NO3--N和NH4+-N具有极显著的负相关关系，并影响了微生物的种群分布，NH4+-N表现出与Methylobacterium- Methylorubrum和Bradyrhizobium呈极显著负相关，NO3--N与Nocardioides呈显著负相关。（6）持续酸化下耐受菌添加与NO3--N与NH4+-N呈显著负相关，α多样性指数表明高浓度耐受菌强化组Shannon-Wiener和Chao 指数较不添加耐受菌的对照组低。同时，随着添加菌剂浓度的增加，微生物的多样性降低，耐受菌会逐渐成为优势菌群。