重金属—抗生素单一及复合污染胁迫下土壤生态功能稳定性及其微生物调控机制研究

论文摘要

随着我国工业化和城市化程度的不断加深,土壤污染的形势愈加严峻。各种污染物进入土壤导致农业环境现状亟待改善、农产品质量安全问题亟需重视。其中,重金属和抗生素污染是农田土壤中不可忽视的污染类型。本研究在实验室模拟培养条件下,选用铜(Cu,添加浓度分别为0、100、400 mg·kg-1)、强力霉素(DOX,添加浓度分别为0、8、15 mg·kg-1)分别作为重金属、抗生素的代表性外源污染物,系统性地从微生物及分子角度选择土壤生态系统的多项指标,分别包括:土壤微生物活性（底物诱导呼吸实验测定微生物呼吸）、微生物功能（分光光度计或滴定法测定酶活性）、微生物群落结构（16s rRNA高通量测序）以及微生物对污染物产生的耐性基因丰度（qPCR荧光定量测序）等指标,以阐明上述指标随污染物添加浓度和培养时间推移的变化情况,定量探讨上述污染条件对土壤生态功能稳定性及土壤微生物的影响程度,从而较为全面地阐述抗生素与重金属单一及复合污染条件下土壤生态功能稳定性及其微生物影响调控机制,以期为重金属、抗生素单一及复合污染的土壤构建微生物预警体系,并为土壤修复和风险评估工作提供理论依据。研究表明,添加不同浓度的DOX、Cu单一及复合污染可能会对土壤生态系统产生较为复杂的影响。具体研究结果如下:（1）对本研究基于微生物呼吸强度进行定量化分析的土壤生态功能稳定性而言,DOX、Cu单一及复合污染在培养期内均会显著抑制土壤微生物呼吸强度。DOX、Cu的复合添加整体表现出对土壤抵抗力、恢复力及稳定性的协同抑制,且抑制强度随着复合物质添加浓度的上升而增加,但在400 mg·kg-1Cu与8mg·kg-1 DOX的复合污染条件下,而高浓度DOX会缓解Cu对稳定性的抑制作用。同一类型污染条件下其恢复力大于抵抗力,故污染胁迫能够激发修复土壤质量的能力,导致培养后期微生物呼吸强度大于污染初期,以维持土壤系统稳定性。同时,本研究建立了DOX、Cu浓度与土壤稳定性之间的三维线性模型,其表达式为:Sb=23.558-0.022 Conc.Cu-0.516 Conc.DOX（R2=0.672,p<0.05）。（2）以土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性来指示重金属及抗生素单一及复合污染胁迫下土壤微生物功能的变化情况。研究发现,DOX、Cu单一及复合污染胁迫对脲酶活性在培养期主要为促进作用,对蔗糖酶、过氧化氢酶活性主要为抑制作用,对过氧化氢酶活性的抑制强度明显大于蔗糖酶。此外,相关性分析发现Cu的添加浓度与过氧化氢酶活性、脲酶之间存在显著性负相关关系,脲酶活性与蔗糖酶活性之间呈显著负相关。（3）以OUTs及其在门纲科目属层级上的注释分类、Chao1指数、PD whole tree和Shannon等多个α多样性指数来表征土壤微生物样品的内在多样性及土壤细菌群落结构多样性。研究发现土壤微生物群落结构随污染物类型、浓度和培养时间变化的影响较大。培养期内,添加外源污染物倾向于提高土壤微生物群落结构的多样性,但又由污染处理组其微生物呼吸强度显著低于CK空白对照,说明添加污染物有可能导致土壤微生物种类更加丰富,但其整体活性较低。此外,Cu、DOX二者复合添加对微生物群落结构多样性的提高幅度较单一污染更明显。（4）以检出的4种抗性基因（tetA、tetC、tetG及tetW）相对丰度作为表征微生物对污染物产生的耐性指标。4种抗性基因的总相对丰度总体呈先降低后增强的趋势,可能是因为添加污染物后土壤系统需要7-15d左右的时间老化适应,土壤中预先存在的抗性基因在生存环境改变后会先转移,且此时新加入外源抗生素尚未产生抗抗性基因诱导作用,导致抗性基因相对丰度均先降低,而到了培养后期,外源添加的抗生素产生抗性基因的诱导作用,促进抗生素抗性基因相对丰度逐渐增加。Cu与DOX高浓度复合添加较其余污染处理在培养中后期能显著提高抗性基因丰度,其中对tetA、tetW的提高效果更为明显。此外,添加高浓度Cu会提高DOX诱导产生抗生素抗性基因的能力水平,提高tet基因的相对丰度。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 土壤重金属、抗生素污染现状

1.1.1 重金属污染现状

1.1.2 抗生素污染现状

1.1.3 重金属-抗生素复合污染现状

1.2 土壤生态系统稳定性及其评价指标

1.3 重金属、抗生素单一及复合污染对微生物的影响

1.3.1 重金属污染对微生物的影响

1.3.2 抗生素污染对微生物的影响

1.3.3 重金属、抗生素复合污染对微生物的影响

1.4 抗生素与重金属对抗生素抗性基因的影响

1.4.1 抗生素与抗生素抗性基因之间的关系

1.4.2 重金属对抗生素抗性基因的影响

1.5 研究目的与意义

1.6 技术路线

第二章材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验药品与试剂

2.1.2 实验仪器设备

2.2 土壤培养及相关指标的检测方法

2.2.1 样品采集及理化指标测定

2.2.2 土壤培养实验

2.2.3 重金属浓度测定

2.2.4 强力霉素浓度测定

2.2.5 微生物活性测定

2.2.6 微生物功能—土壤酶活性测定

2.2.7 抗性基因丰度测定

2.2.8 微生物群落多样性测定

2.3 数据处理方法

第三章结果与分析

3.1 重金属和抗生素单一及复合污染对土壤生态功能稳定性的影响

3.1.1 重金属和抗生素单一及复合污染对土壤微生物活性的影响

3.1.2 重金属和抗生素单一及复合污染对土壤抵抗力、恢复力及稳定性的影响

3.2 重金属和抗生素单一及复合污染对土壤微生物功能的影响

3.2.1 不同处理方式下土壤脲酶活性变化情况

3.2.2 不同处理方式下土壤蔗糖酶活性变化情况

3.2.3 不同处理方式下土壤过氧化氢酶活性变化情况

3.3 重金属和抗生素单一及复合污染对细菌群落结构多样性的影响

3.3.1 样品OTUs分析

3.3.2 样品OTU水平Venn图分析比较

3.3.3 土壤微生物在门（Phylum）水平的分类比较

3.3.4 土壤微生物在纲（Class）水平的分类比较

3.3.5 土壤微生物在目（Family）水平的分类比较

3.3.6 土壤微生物在科（Order）水平的分类比较

3.3.7 土壤微生物在属（Genus）水平的分类比较

3.3.8 土壤微生物群落结构多样性分析比较

3.4 重金属和抗生素单一及复合污染对抗生素抗性基因的影响

3.4.1 重金属与抗生素单一及复合污染对各抗生素抗性基因的影响

3.4.2 重金属与抗生素单一及复合污染对抗性基因总丰度影响分析

3.5 不同污染处理下土壤系统稳定性相关指标之间的相关性分析

3.6 本章小结

3.6.1 污染处理对土壤生态功能稳定性的影响

3.6.2 污染处理对土壤微生物功能的影响

3.6.3 污染处理对细菌群落结构多样性的影响

3.6.4 污染处理对抗生素抗性基因丰度的影响

第四章讨论

4.1 重金属及抗生素单一及复合污染对土壤生态功能稳定性的影响

4.2 重金属及抗生素单一及复合污染对土壤微生物功能的影响

4.3 重金属及抗生素单一及复合污染对土壤微生物群落结构的影响

4.4 不同污染处理下土壤微生物对污染物的适应性

第五章结论与展望

参考文献

图表目录

致谢

作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈欣瑶

导师: 张园

关键词: 强力霉素,生态功能稳定性,土壤微生物,抗生素抗性基因

来源: 苏州科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 苏州科技大学

分类号: X53;X172

总页数: 96

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重金属—抗生素单一及复合污染胁迫下土壤生态功能稳定性及其微生物调控机制研究

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