2023年9月30日，中南大學張杜博士為第一作者、李騫教授為通訊作者在《Chemosphere》雜志上發(fā)表題為“Effects of single and combined contamination of total petroleum hydrocarbons and heavy metals on soil microecosystems: Insights into bacterial diversity, assembly, and ecological function”的研究論文，該研究采用16S rRNA測序技術，研究了總石油烴（total petroleum hydrocarbons，TPH）單一污染、重金屬單一污染以及總石油烴-重金屬復合污染的土壤微生物群落特征，并與相應的低污染對照進行比較。
本研究主要目的：（1）研究不同污染脅迫下群落多樣性、組裝機制、組成、生態(tài)功能和土壤抗性變化。（2）評價和比較單一污染和復合污染的生態(tài)效應。研究結果將為理解TPH-重金屬單污染及復合污染下土壤微生態(tài)系統(tǒng)的形成機制提供新的見解，并為污染物的環(huán)境微生態(tài)和風險評估提供重要啟示。深圳易基因科技為本研究提供微生物組學技術服務。
標題：Effects of single and combined contamination of total petroleum hydrocarbons and heavy metals on soil microecosystems: Insights into bacterial diversity, assembly, and ecological function（總石油烴-重金屬的單一和復合污染對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響：細菌多樣性、組裝和生態(tài)功能研究）
時間：2023-09-30
期刊：Chemosphere
影響因子：8.8
研究摘要：
探究總石油烴(TPH)和重金屬單一及復合污染對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響對于生態(tài)環(huán)境（生境）修復至關重要，但目前尚不完全清楚。本研究采用高通量測序方法研究了單一TPH污染、單一金屬污染及其復合污染對土壤微生物多樣性、組裝機制、組成、生態(tài)功能和抗性的影響。研究結果顯示，污染導致α多樣性減少，與復合污染相比，單一污染顯示較低的多樣性，這取決于污染物濃度。群落β多樣性主要受周轉（turnover）而非嵌入（nestedness）驅動，在污染條件下，群落的生態(tài)位較窄。中性群落模型(neutral community model，NCM)表明，在單一TPH或復合污染條件下，均質分散在群落組裝過程中起重要作用，而在重金屬污染條件下，均質選擇起主導作用。Procrustes分析揭示了群落組成與功能差異之間的相關性，而Mantel分析則將這種差異與Cr、Cr6+、Pb和TPH的濃度相關聯(lián)。結果顯示，TPH和重金屬復合污染的土壤表現(xiàn)出與單一金屬污染的土壤具有相似的屬、群落功能和抗性，突顯了重金屬的顯著影響。與碳(C)、氮(N)和硫(S)循環(huán)相關的生態(tài)功能在TPH污染下增強，但在重金屬脅迫下受損。這些研究結果增強了對TPH、重金屬及其復合污染下土壤微生態(tài)系統(tǒng)的理解，并對環(huán)境微生態(tài)和污染物風險評估具有重要意義。
研究圖形摘要
研究結果
（1）污染土壤的物理化學性質
表1：受污染土壤的物理化學性質
注：重金屬總量、水溶性含量、DTPA可提取量、TPH和pH值以平均值±SD（標準差）表示，n=3。一行中不同字母表明組間存在統(tǒng)計學顯著差異，p＜0.05。污染物總量方面，星號（*）表示工業(yè)用地土壤環(huán)境質量國家標準（GB36600-2018）（Cr6+、Cu、Pb、Ni、TPH）和湖南省標準（DB43/T165-2016）（Cr和Zn）中含量超過開發(fā)用地土壤污染風險篩選值的污染物。對于水溶性含量，“#”是指含量超過GB14848-2017中IV類的污染物。“-”表示低于檢測限值。
圖1：污染土壤的pH值和主要污染物含量差異。
（A） 總Cr含量。
（B） Cr6+含量。
（C） TPH含量。
（D） pH值。
通過Mann-Whitney U檢驗分析組間的統(tǒng)計學顯著性。不同字母表明組間存在統(tǒng)計學上顯著差異，p＜0.05。Ctrl：輕度污染對照；TPH：TPH污染嚴重的土壤；HM：重金屬污染嚴重的土壤；Comb，TPH和重金屬的復合污染。
（2）群落多樣性
圖2：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組土壤微生物多樣性變化。
A–D. 土壤微生物組α多樣性指數(shù)差異：（A）Shannon多樣性指數(shù)（B）觀察到的特征（C）均質性（D）Faith pd。
E–F. 基于未加權unifac距離（E）和加權unifrac距離（F）的土壤微生物組β多樣性差異。
G–H. 基于Bray-Curtis距離的細菌群落β多樣性模式的周轉（turnover）差異（G）和嵌入性（nestedness）（H）差異。組間比較采用Mann - Whitney U檢驗。不同字母表示組間差異有統(tǒng)計學顯著性，p < 0.05。PCoA，主坐標分析。PERMANOVA，置換多元方差分析（Permutational multivariate analysis of variance）。
（3）微生物群落組裝過程
圖3：微生物群落組裝過程。
A. TPH、HM和Comb中微生物組群落的貝葉斯溯源，以Ctrl為來源預測推定微生物組比例。B
B. 條形圖說明了微生物組生境生態(tài)位寬度差異。
C. 條形圖說明了Bray-Curtis距離差異。
D. 群落構建的中性群落模型（neutral community model，NCM）分析。當βNTI絕對值<2時，表明均質分散在微生物組裝中占主導地位。βNTI＜-2表明均質選擇主導微生物組裝過程。
E. Mantel試驗說明了群落組成、功能和污染物含量之間的相關性。通過Mann-Whitney U檢驗評估組間的統(tǒng)計學顯著性。不同字母表明組間存在統(tǒng)計學上顯著差異，p＜0.05。
（4）微生物組成
圖4：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組的微生物群分類組成差異。
A–B. Circos圖顯示TOP10富集的門（phyla）（A）和TOP20富集的屬（genera）（B）。
C. Venn圖顯示群落中共有和特有的屬（group）。
D. 線性判別分析（LDA）效應大?。?span>LEfSe）顯示TPH、HM和Comb中顯著的土壤微生物類群富集。顯示LDA評分>4.0和p<0.05。
（5）主要生態(tài)功能預測
圖5：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組的微生物群落功能差異。
A. 基于屬豐度的NMDS (Bray-Curtis)結果和KEGG 3級分類豐度的Procrustes分析結果，表明微生物群組成與微生物群落功能之間的相關性。
B. 使用picrust預測的前50個KEGG通路對四個組進行熱圖分析。
C-F. 微生物群落主要生物地球化學功能（biogeochemical functions）變化。C、N和S循環(huán)功能組（cycle functional groups）（C）的相對豐度，C循環(huán)功能組（D）的相對豐度、N循環(huán)功能組（E）的相對豐度，S循環(huán)功能組（F）的相對豐度。
（6）抗性相關功能挖掘
A. 條形圖顯示總Cr抗性基因的豐度差異。
B. 熱圖顯示10個Cr抗性基因的豐度差異。
C. 條形圖顯示參與外源生物降解和代謝基因的豐度差異。
D. 熱圖顯示22種外源生物降解和代謝通路的豐度差異。
E. 熱圖顯示石油烴降解酶（essential hydrocarbon-degradation enzymes）的豐度差異。組間比較采用Mann-Whitney U檢驗。不同字母表示組間有統(tǒng)計學顯著差異，p < 0.05。
研究結論
本研究中從微生物多樣性、群落組裝機制、微生物組成、生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤抗性等方面全面分析了單一TPH污染、單一重金屬污染及TPH-重金屬復合污染對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響。分析結果表明，群落物種周轉（turnover）導致群落β多樣性，在污染條件下觀察到的生態(tài)位較窄。重金屬污染對土壤微生物群落產生均質選擇脅迫，而TPH污染對土壤生物群落產生均質分散脅迫。Cr、Cr6+、Pb和TPH濃度對群落組成和功能相關變化具有顯著影響。復合污染土壤表現(xiàn)出與單一金屬污染土壤相似的屬、群落功能和抗性。C、 N和S循環(huán)功能在TPH污染下增強而在金屬污染下受損。本研究有助于加深理解土壤微生態(tài)系統(tǒng)對TPH、重金屬及其復合污染的潛在機制，對環(huán)境微生物生態(tài)學和污染物風險評估具有重要指導意義。
