微生物通过代谢砷参与物质和能量的循环,在生物和非生物化学循环起到重要作用。蜈蚣草(Pteris vittata L.)是高富集砷的蕨类植物,已成功用于砷污染土壤的修复,但砷富集过程中根际微生物与植物和砷污染程度的相互作用机理以及地表砷污染向地下转移后对不同深度土壤微生物群落和功能基因的影响还知之甚少。而这些因素最终可能影响植物修复效率和砷向地下水转移。土壤样品采集于蜈蚣草修复了6年的砷植物修复基地和附近非修复砷污染区(25°48’N, 113°02’E)。对不同砷污染水平的蜈蚣草根际或非根际,从地表到地下4米共五个深度的砷污染土样,利用Biolog系统和功能基因芯片(GeoChip 3.0)技术,阐明微生物群落的代谢潜力,结构和功能基因与根际,砷污染水平,土壤性质和深度的关联。以上为本研究2和3章的内容。此外,细菌的抗锌分子基础虽有一些研究,但对于高抗性菌的锌内稳态机理还有待阐明。本论文对高锌抗性菌株Comamonas testosteroni S44的抗锌转运蛋白基因功能和转录调控机制进行了研究(第4章)。本论文的主要结果如下：1.砷污染蜈蚣草根际土样中：非砷污染土样具有最高的群落多样性和唯一碳源利用能力,而砷污染降低了代谢的多样性,但在相同砷污染水平的土壤中,根际微生物比非根际的具有更高的代谢多样性。五个土壤样品间只有较低比例的重叠基因(16.52%-45.75%)。和砷污染土样相比,非砷污染样品具有较高的基因多样性和更多的特有基因(48.09%)。典型对应分析(CCA)揭示砷污染是降低土壤中功能基因多样性的主要因素；此外,磷和有机质对微生物的群落结构有重要影响。在根际和非根际样品中,砷抗性,硫酸盐还原,磷利用和反硝化相关基因结构显著不同,揭示了微生物功能基因和代谢活性与砷污染水平、根际间相互作用的关系。表明砷富集是蜈蚣草,根际微生物和砷污染水平相互作用的结果,根际微生物在蜈蚣草砷富集过程中起到重要作用。2.在不同深度砷污染土样中：微生物的代谢潜力和多样性随着样品深度的增加而降低。表层群落结构与深层土样中的显著不同(p<0.05),而在1-、2-、3-和4-m土壤样品间没有显著性差异。但是,砷抗性、碳和氮循环等基因的丰度和分布在不同深度土壤中显著差异。土壤样品中C：N与砷抗性基因、C循环和N固定基因(nifH)的分布和丰度显著相关(p<0.10),总碳源的含量与Rubisco (rbcL)基因的丰度显著相关(p=0.071)。利用rbcL和nifH基因作为分子标记,检测到了微生物群落结构和活性在不同土壤深度中的差异。P、NO3-和C：N的组合与整个群落结构具有最大关联(p=0.062,r=0.779)。以上结果表明在短期(10年)砷污染的土壤中,砷由地表的下渗对微生物群落/功能基因结构造成了一定影响,但营养物质和空间隔离可能是维护微生物群落功能和控制砷转移的关键因素。3.从锑尾矿土中分离到一株高锌抗性菌株Comamonas testosteroni S44,具有多重金属离子抗性,如Cd2+、Pb2+等。报告基因表达分析表明zntA的调控蛋白ZntR1对Zn2+、Cd2+和Pb2+均有应答。对调控蛋白zntR1基因敲除后,突变株表现出较低的Zn2+、Cd2+和Pb2+抗性(对应MICs:10 mM vs 6.0 mM,2 mM vs 1.5 mM和3.5mM vs 2.0 mM),但抗性没有完全消失,预示其基因组中存在其它抗性基因或调控基因。全基因组序列分析发现9个推测为Zn2+、Cd2+和Pb2+外排的转运子(4个zntA和5个czcA基因)。定量PCR结果表明4个zntA类的基因全部受Zn2+诱导表达,而czcA类的基因中,3个受Zn2+诱导表达,2个下调表达。基因组中大量编码(类)金属抗性蛋白,移动元件的基因和复杂的调控模式,可能是C. testosteroni S44适应金属污染环境而发生的基因复制和转移。本研究阐明了土壤性质、砷污染水平、蜈蚣草根际的协同作用以及土壤深度异质性对微生物群落结构和功能基因的影响,并找出了影响微生物群落的关键环境因子。将对人为地改变条件来保护微生物多样性,控制砷的转移和促进植物修复提供理论基础。利用基因敲除,报告基因表达,全基因组测序比对和定量PCR的方法,系统地分析了Comamonas属细菌的高抗性的分子机理,具有重要理论价值。