含铀凋落物腐解前后微生物群落结构特征及多样性分析_陈宇翔.pdf

第 37 卷第 2 期2023 年 4 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.2Apr.2023收稿日期:20221130基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ2330);湖南省教育厅科学研究项目(16B223)作者简介:陈宇翔(1997)，男，硕士研究生，主要从事土壤污染防控理论与技术方面的研究。E-mail:1045791195qqcom。*通信作者:邓钦文(1981)，男，副教授，博士，主要从事环境修复理论与技术方面的研究。E-mail:dengqw usceducnDOI:10.19431/ki.16730062.2023.02.003含铀凋落物腐解前后微生物群落结构特征及多样性分析陈宇翔1，2，3，周天豪1，2，3，张豪杰1，2，3，李珂淼3，吴同3，谭劲龙1，2，3，邓钦文1，2，3*，杨帆4(1南华大学 铀矿冶生物技术国防重点学科实验室，湖南 衡阳 421001;2南华大学 衡阳市土壤污染控制与修复重点实验室，湖南 衡阳 421001;3南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001;4衡阳市生态环境局衡南分局，湖南 衡阳 421001)摘要:采集含铀凋落物腐解前后土壤样本，通过 Illumina Miseq 高通量测序技术研究腐解前后土壤微生物的多样性及群落结构，解析含铀凋落物腐解前后土壤微生物群落结构特征及其变化规律，为发掘潜在含铀生物质降解菌种提供理论基础。通过高通量测序，分别获得 158 781 条细菌和 242 198 条真菌的有效序列，菌群 Alpha 分析显示，腐解后细菌的多样性和丰富度增加，真菌的多样性和丰富度减少。通过微生物群落结构解析，发现腐解前后门水平上始终存在的优势菌群，细菌中为绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和变形菌门(Pro-teobacteria);真菌中为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、unclassified_Fungi 和被孢囊门(Mortierellomycota)。结果表明，含铀凋落物腐解后，凋落物内的铀被释放到土壤中，改变了土壤微生物群落结构。腐解后土壤中可识别的优势菌群功能主要集中在对纤维素、半纤维素、木质素的降解和铀的浸出。热酸菌属(Acidother-mus)和软盘菌属(Mollisia)可能是降解凋落物和浸出铀较好的微生物组合。关键词:铀;凋落物;腐解;高通量测序;微生物群落结构中图分类号:X53文献标志码:A文章编号:16730062(2023)02001808Analysis of Structural Characteristics and Diversity of MicrobialCommunities Before and After Decomposition of Uranium-Containing LitterCHEN Yuxiang1，2，3，ZHOU Tianhao1，2，3，ZHANG Haojie1，2，3，LI Kemiao3，WU Tong3，TAN Jinlong1，2，3，DENG Qinwen1，2，3*，YANG Fan4(1Key Discipline Laboratory for National Defense for Biotechnology in Uranium Mining andHydrometallurgy，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;2Hengyang Key81第 37 卷第 2 期陈宇翔等:含铀凋落物腐解前后微生物群落结构特征及多样性分析2023 年 4 月Laboratory of Soil Pollution Control and emediation，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;3School of esources Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;4Hengnan Branch of HengyangEcological and Environmental Bureau，Hengyang，Hunan 421001，China)Abstract:Soil samples were collected before and after decomposition of uranium-containingapoplast，and the diversity and community structure of soil microorganisms before and afterdecomposition were studied by Illumina Miseq high-throughput sequencing technology toanalyze the structural characteristics of soil microbial communities before and after decom-position of uranium-containing apoplast and their change patterns，and to provide a theo-retical basis for the discovery of potential uranium-containing biomass degrading speciesHigh-throughput sequencing was performed to obtain 158 781 bacterial and 242 198 fungalsequences Alpha analysis of the bacterial community showed that the diversity and abun-dance of bacteria increased and that of fungi decreased after decomposition Microbial com-munity structure analysis revealed that the dominant groups consistently present at the phy-lum level before and after decay were Chloroflexi，Actinobacteria，Acidobacteria and Pro-teobacteria in bacteria，and Ascomycota，Basidiomycota，unclassified_Fungi，and Mor-tierellomycota in fungi The results showed that with the decomposition of uranium-contai-ning apoplast，uranium within the apoplast was released into the soil and changed the soilmicrobial community structure The functions of the dominant group of identifiable bacteriain the soil after decomposition were mainly focused on the degradation of cellulose，hemi-cellulose and lignin，and leaching of uranium Acidothermus spp and Mollisia spp may bethe better microbial assemblages for degradation of litter matter and leaching of uraniumkey words:uranium;plant residues;decay;high-throughput sequencing;microbial commu-nity structure0引言铀是一种放射性核素，会引起许多有害影响，是一种严重的环境污染物，因其化学毒性和放射性毒性对植物、动物和微生物造成重大损害，并通过食物链累积对人类健康造成严重危害而引起了广泛关注1。近年来，植物修复因其能高效、低成本地去除或稳定重金属，降低重金属毒性而受到广泛关注。但是植物修复会产生大量含重金属的生物质，这些受污染植物的处置是植物修复广泛应用的限制因素之一2，如果处置不当，势必会对环境造成二次污染。正在使用几种富含重金属的生物质的处理方法，包括热解、焚烧、堆肥和压实，他们虽然有效，但大多存在成本过高且不安全的问题3。其中通过微生物处理进行含重金属生物质的降解和污染控制，具有成本低、绿色环保等特点，在研究中受到广泛地重视。微生物处理法是一种通过微生物稳定化和有机物腐殖化处理生物质的技术4。使用微生物对生物质或有机物的生物降解是一种常见方法，已有多年报道。据报道，白腐(white-rot)真菌通过矿化木质素，对木质素降解5。黑曲霉(Asper-gillus niger)是许多植物的危险病原体，它是植物组织破坏、腐烂和分解的主要原因之一6。此外，变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chlo-roflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)都是与凋落物分解密切相关的菌群7。细菌和真菌群落已被证明参与了凋落物分解中的一系列演替过程。LHJing 等8 研究了8 种不同微生物从富含铀的植物中降解和释放铀的能力，通过在铀胁迫下的生长来评估他们降解生物质的能力，发现真菌的降解能力优于细菌，而细菌的金属浸出能力更好。以上研究表明，通过分析微生物群落结构及变化，有助于发掘有降解生物质和除铀功能的微生物，从而控制环境污染。但目前国内尚缺少对91第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月含铀生物质腐解前后土壤中微生物群落深入分析的报道。因此，本研究通过高通量测序技术，探究含铀凋落物分解前后微生物群落特征的变化和多样性，将有助于更好地了解在微生物协同处理含铀凋落物时，各优势菌群的降解能力和铀释放能力，以期发掘潜在含铀生物质降解菌种。1材料与方法11样品采集与处理本试验土壤取于南华大学校内西山山脚，土壤采集后经干燥、过筛等前处理以供土壤基本理化性质分析，土壤基本理化性质见表 1。试验在南华大学温室大棚中进行，大棚温度维持在 25 左右，试验植物选用南华大学植物大棚中经铀富集试验后的合果芋，铀质量比为 43.12 mg/kg。将采集后的植物用去离子水冲洗净后，置于通风处风干，在装袋前将其切成 510 cm左右的小段，取风干后的植物 10 g 装入 15 cm15 cm 的 0.165mm孔径尼龙网袋中，并往网袋中添加 100 g土壤混合均匀，埋入土壤中，于 21 d 后取出网袋对土壤进行微生物群落的测试。通过电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spec-trometry，ICP-MS)测定凋落物和水样中的铀质量浓度。表 1土壤理化性质Table 1Physical and chemical properties of soil参数值pH685有机质/%511碱解