【摘 要】
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砷(As)和锑(Sb)在元素周期表中是位于同一主族的相邻元素,二者具有类似的化学性质。我国砷矿和锑矿资源丰富,每年随着矿山的开采、冶炼带来了巨大的砷锑资源,然而也造成了矿区周围大面积砷、锑污染。砷锑可以在大气、地下水、土壤等环境中迁移和转化而引起更大范围的环境问题,解决砷锑的污染问题迫在眉睫。土壤微生物在砷和锑的转化以及环境迁移过程中起着关键作用。微生物可以将As(Ⅴ)还原为毒性更高且更易移动的A
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砷(As)和锑(Sb)在元素周期表中是位于同一主族的相邻元素,二者具有类似的化学性质。我国砷矿和锑矿资源丰富,每年随着矿山的开采、冶炼带来了巨大的砷锑资源,然而也造成了矿区周围大面积砷、锑污染。砷锑可以在大气、地下水、土壤等环境中迁移和转化而引起更大范围的环境问题,解决砷锑的污染问题迫在眉睫。土壤微生物在砷和锑的转化以及环境迁移过程中起着关键作用。微生物可以将As(Ⅴ)还原为毒性更高且更易移动的As(Ⅲ),增加环境生态毒性风险;锑还原微生物将Sb(Ⅴ)还原生成毒性更强的Sb(Ⅲ)可通过硫化物沉淀或被铁相强烈吸附,从而限制Sb(Ⅲ)的生物移动性从而限制其生物毒性在环境中的循环。因此探明砷锑污染土壤场地中的微生物还原过程对于土壤污染的微生物修复具有十分重要的意义。但目前砷锑还原功能菌的相关报道还比较少,也尚不明确砷锑还原菌群之间是否存在异同,这些科学问题有待进一步研究。本文采用贵州省独山县内锑矿区附近的水稻田土壤,模拟淹水稻田中的天然厌氧环境构建厌氧微宇宙培养体系,以乙酸作为电子供体和碳源,分别以As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ)作为电子受体模拟As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ)在自然界中的还原过程,验证微生物是否参与了砷锑还原过程;使用稳定性同位素示踪技术(DNA-SIP),采用13C-乙酸标记具有还原As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ)功能的微生物,以锚定还原As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ)的功能菌株;结合细菌16S r RNA高通量测序技术探究典型锑污染土壤中的厌氧砷锑还原过程及其功能微生物的群落特征;采用多元统计方法区分背景菌和功能菌,鉴定差异功能菌,聚焦其独特功能。本研究发现:随着培养时间的推移,微宇宙培养体系中发生了明显的砷锑还原现象,表明体系中微生物可以利用乙酸作为碳源和电子供体,驱动As(Ⅴ)/Sb(Ⅴ)还原过程;DNA-SIP实验表明,微生物通过同化13C-乙酸可以将13C合并至自身基因组DNA,从而成功对As(Ⅴ)/Sb(Ⅴ)还原功能菌株形成标记;进一步通过扩增子测序表明,在该污染土壤中驱动厌氧砷还原过程和厌氧锑还原过程的优势细菌分别是Geobacter和Acinetobacter。通过核心微生物组分析发现Escherichia_Shigella,Bacteroides,Geobacter等在厌氧砷锑还原过程中广泛参与,而Acinetobacter可能是针对锑还原的特异微生物。PICRUSt功能基因预测分析表明了部分参与砷循环过程的基因也在锑循环中出现,进一步证实了砷锑之间具有类似的微生物还原机制。后续可以对Geobacter及Acinetobacter等菌群进行进一步的纯菌分离培养,并应用于砷锑污染场地,落实到实际的土壤微生物修复工程中。因此,本文通过采用高通量测序技术与DNA-SIP结合的前沿方法,示踪并分离参与砷锑还原过程的核心微生物,探明土著微生物与砷锑迁移转化的关系,深入挖掘厌氧条件下土壤中砷锑还原功能微生物的信息,结果有望为土壤环境中砷锑的微生物修复提供理论支撑,有助于缓解砷锑的污染问题,具有重要的环境修复意义。
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