砷尾礦污染土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性及其相關(guān)環(huán)境影響因子分析

張堃，徐穎，周媛，黃華枝，廖俊杰，李林，朱永闖，廖斌，梁潔良，李金天

1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院生態(tài)環(huán)境技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300；2. 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275；3. 華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510631

砷（As）廣泛存在于自然界的地殼、沉積物和土壤圈等各種環(huán)境介質(zhì)中，是一種氧化還原敏感元素，在特定條件下易被激活。五價(jià)砷和三價(jià)砷最為常見，而三價(jià)砷的高移動(dòng)性使得其環(huán)境毒性遠(yuǎn)高于五價(jià)砷，即使在低濃度下也會(huì)對(duì)生物群產(chǎn)生毒性作用（Palmer et al.，2019）。為了抵消砷的有害影響，微生物進(jìn)化出了不同的抵抗策略，能將亞砷酸鹽氧化或甲基化成毒性較小的類型，或主動(dòng)使亞砷酸鹽泵出細(xì)胞。其中具有砷氧化功能的微生物如根瘤菌可以將毒性較強(qiáng)的三價(jià)砷氧化為毒性較低的五價(jià)砷并使其與鐵鋁礦物結(jié)合（Corsini et al.，018）；而砷還原微生物如金黃色葡萄球菌等則可以將毒性較弱的游離砷和結(jié)合態(tài)砷還原為毒性更強(qiáng)的三價(jià)砷從而加重環(huán)境砷污染（Ji et al.，1994）。這些微生物的代謝活動(dòng)是砷元素遷移、轉(zhuǎn)化、甲基化和脫甲基化等過程的關(guān)鍵因素，不斷促進(jìn)土壤中砷及其化合物的相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)過程中易伴隨產(chǎn)生強(qiáng)酸且含有較高水平的溶解態(tài)金屬離子（如砷、鎘、銅、鋅等）以及陰離子（如硫酸鹽和碳酸鹽等），對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成較大的脅迫。

湖南石門擁有世界最大的雄黃礦，某些尾礦礦渣的砷含量接近并超過低品位原礦石中的砷含量（胡毅鴻等，2015）。以雄黃礦為主的礦體中，通常含有較高含量的金屬硫化物，當(dāng)硫化物暴露于空氣和水分下，容易被一些噬酸鐵氧化菌（Acidobacillus Ferrooxidans）和硫氧化菌（Thiobacillus acidophilus）氧化，從而加速結(jié)合態(tài)或螯合態(tài)重金屬的釋放和硫酸的產(chǎn)生，使尾礦迅速酸化及重金屬化（Shiers et al.，2016）。然而微生物群落整體代謝過程復(fù)雜，具有特定功能的菌群與不同有害重金屬之間的關(guān)聯(lián)等研究尚不透徹。本研究以湖南石門雄黃尾礦污染土壤為研究對(duì)象，對(duì)尾礦區(qū)域的土壤理化特性進(jìn)行測(cè)定，通過16S rRNA基因高深度測(cè)序，揭示不同土壤深度及不同水平距離下的砷污染土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性組成及分布格局，探討核心類群對(duì)環(huán)境因子變化趨勢(shì)的群體組裝模式，為砷尾礦的環(huán)境控制和生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雄黃礦位于湖南省常德市石門縣白云鄉(xiāng)（29°39′6.83″N，111°2′27.07″E），屬于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風(fēng)氣候區(qū)；境內(nèi)年平均氣溫16.8 ℃、年均降雨量1540 mm；土壤類型為黃棕壤酸性土。礦區(qū)有一、二、三號(hào)窿，研究區(qū)位于一號(hào)窿尾礦庫，其具有典型的3層結(jié)構(gòu)模式（頂部為硅質(zhì)巖層，中部為網(wǎng)脈狀礦體，下部為角礫狀礦體），已開采至-370 m標(biāo)高，垂深達(dá)550 m，斜深超700 m。

1.2 土壤樣品采集

一座人工堆砌的礦渣巖壁斜側(cè)，按北向橫向距離遠(yuǎn)近分為原位、100、200、300 m共4個(gè)隨機(jī)采樣點(diǎn)，土壤鮮有植物生長(zhǎng)覆蓋，采集0—10 cm的表層土，分別命名為HX0，HX1，HX2，HX3；其中HX0同時(shí)設(shè)置為縱向剖面研究點(diǎn)，往下分別按0—10、30—40、50—60、60—70 cm分為4個(gè)子采樣點(diǎn)，統(tǒng)一命名為 ZP0（即 HX0），ZP1，ZP2，ZP3。每個(gè)采樣點(diǎn)半徑1 m范圍隨機(jī)選擇4個(gè)位置采集等量土壤，然后混合均勻成為一份樣品；4次重復(fù)，共計(jì) 28個(gè)土壤樣品。樣品一部分裝入滅菌的離心管中，-80 ℃冰箱中儲(chǔ)存，用于后續(xù)DNA提??；另一部分放入封口袋中用于理化參數(shù)測(cè)定。

1.3 土壤樣品理化分析

土壤中的pH、EC、TOC用無二氧化碳水對(duì)土壤進(jìn)行浸提后，分別采用pH計(jì)、電位法、電導(dǎo)法、總碳分析儀（TOC-Vcsh；Shimadzu，Kyoto，Japan）測(cè)定；土壤風(fēng)干研磨過 80目篩后，用鹽酸和硝酸溶液處理，在微波消解爐中消解冷卻后定容，使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀ICP-OES進(jìn)行砷、鉛、鋅、銅等重金屬元素測(cè)定，其中對(duì)于砷形態(tài)的測(cè)定主要采用不同化學(xué)浸提劑，將樣品中各種形態(tài)的無機(jī)砷酸鹽加以逐級(jí)分離、計(jì)算。具體操作方式參考蔣永榮等人的研究（蔣永榮等，2019）。

1.4 土壤樣品DNA提取及16S rRNA基因測(cè)序

采用FastDNA土壤DNA提取試劑盒（MP Bio，USA）根據(jù)提取說明書進(jìn)行總 DNA提取，用NanoDrop2000微量紫外分光光度計(jì)（Thermo Scientific，Waltham，MA，USA）測(cè)定 DNA的濃度和質(zhì)量。選擇細(xì)菌古菌通用引物對(duì) 515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′）/806R（5′-GGACT ACHVGGGTWTCTAAT-3′）擴(kuò)增 16S V4 區(qū)（Caporaso et al.，2011），擴(kuò)增體系及條件參考Zhang et al.（2019）的研究；PCR產(chǎn)物進(jìn)行電泳檢測(cè)并采用OMEGA膠回收試劑盒（Omega Bio-Tek）對(duì)目標(biāo)條帶進(jìn)行純化回收；回收產(chǎn)物由北京諾禾致源生物信息科技有限公司進(jìn)行深度測(cè)序。

1.5 16S擴(kuò)增子高通量數(shù)據(jù)分析

獲得的原始數(shù)據(jù)采用 FLASH（版本號(hào) 1.2.11）軟件進(jìn)行雙端序列合并，采用QIIME軟件進(jìn)行流程化分析（Caporaso et al.，2010），具體包括根據(jù)標(biāo)簽序列進(jìn)行樣品拆分、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及嵌合體去除、序列聚類，比對(duì)SILVA（版本號(hào)123）進(jìn)行物種注釋。樣品內(nèi)部微生物物種組成多樣性主要以Chao1、PD、Shannon和Simpson 4個(gè)多樣性指數(shù)來表征；樣品間β多樣性指標(biāo)以Bray-Curtis PCoA（Principal Coordinate Analysis）表征。

1.6 土壤重金屬潛在生態(tài)危害影響因子計(jì)算及評(píng)價(jià)方法

潛在生態(tài)指數(shù)法（The Potential Ecological Risk Index，RI）由瑞典地球化學(xué)學(xué)家Hakanson于1980年提出，是目前最常用的評(píng)價(jià)重金屬環(huán)境污染度的方法之一（Hakanson，1980）。其具體公式如下：

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

采用 Vegan（版本號(hào) 2.4.2）進(jìn)行非冗余分析（Redundancy analysis，RDA）和方差分解分析（Variance partitioning canonical correspondence analysis，VPA）；采用R包中的Pheatmap（版本號(hào)1.0.12）繪制熱圖；采用Gephi（版本號(hào)0.9.2）進(jìn)行相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖繪制及美化，閾值選擇為相關(guān)性系數(shù)|r|≥0.6，P＜0.05；采用 R（版本號(hào) 4.0.3）進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05定義為差異顯著。將所有28個(gè)樣品中都存在的 OTU定義為共享類群（Shared microbiota）或核心類群（Core microbiome），獲得的結(jié)果在門、綱、目、科、屬級(jí)別進(jìn)行豐度計(jì)算；同時(shí)將所有樣品中平均相對(duì)豐度＞1%的類群定義為主要類群，其余的為稀有共有類群（Gülay et al.，2016）。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤樣品有害重金屬含量及潛在生態(tài)危害評(píng)估

對(duì)共計(jì)28個(gè)土樣進(jìn)行了有害重金屬（砷、鉛、鋅、銅、鎘）總含量的測(cè)定（表1）。結(jié)果表明：土壤縱向越深，重金屬含量越大；橫向距離越遠(yuǎn)重金屬含量越低。所有樣品中砷（1804.75 mg·kg-1）、鉛（626.54 mg·kg-1）、鋅（290.68 mg·kg-1）、銅（168.82 mg·kg-1）、鎘（31.46 mg·kg-1）的幾何均值均高于湖南省土壤重金屬含量背景值，分別超標(biāo) 45.12、21.1、18.51、6.18、249.68倍。在郭朝暉等人的湘江農(nóng)田污染土壤研究中則發(fā)現(xiàn)鎘、鉛、鋅的樣品幾何均值分別超標(biāo)湖南省土壤背景值的 7.97、3.69、1.63倍，判定湘江沿岸的農(nóng)田土壤鎘污染比較嚴(yán)重（郭朝暉等，2010）；同樣本次結(jié)果表明礦區(qū)及周邊土壤較高濃度的重金屬水平可能會(huì)對(duì)周邊區(qū)域的農(nóng)田種植或地下水造成嚴(yán)重的影響。

表1 不同土壤樣品重金屬濃度及生態(tài)危害指數(shù)Table 1 Contents and ecological hazard indexes of heavy metals in different soil samples

依據(jù) Hakanson的潛在生態(tài)危害指數(shù)法計(jì)算公式得出，土壤中各個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)Ei與重金屬的含量變化規(guī)律基本一致。綜合比較土壤中各有害重金屬的生態(tài)危害指數(shù)值，發(fā)現(xiàn)鋅（Ei=18.51）與銅（Ei=30.92）的潛在生態(tài)危害較小，均為輕度危害（Ei＜40，輕度危害）；鉛（Ei=105.48）具有強(qiáng)生態(tài)危害（80≤Ei＜160）；而砷（Ei=565.75）和鎘（Ei=7491.5）的污染最嚴(yán)重，達(dá)到極強(qiáng)的環(huán)境危害標(biāo)準(zhǔn)（Ei≥320）。所有樣品都具有極高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（RI≥600），并且縱向樣品中RI與采樣深度呈顯著正相關(guān)（r=0.79，P=0.000），橫向樣品中RI與采樣距離顯著負(fù)相關(guān)（r= -0.85，P=0.000）。說明重金屬隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸往土壤深層遷移累積，橫向擴(kuò)散的效應(yīng)相對(duì)較弱。相似的結(jié)果也出現(xiàn)在蔣永榮等研究的廣西桂林陽朔一處鉛鋅尾礦污染土壤中（蔣永榮等，2019）。

2.2 微生物群落α及β多樣性變化規(guī)律

28個(gè)樣品的序列條數(shù)均一化至25045條進(jìn)行α多樣性抽樣計(jì)算，表2顯示礦渣堆近處的土壤微生物多樣性顯著降低，離礦渣堆越遠(yuǎn)，多樣性呈緩慢上升趨勢(shì)；而土壤縱剖面隨著深度增加，物種多樣性顯著減少。結(jié)合土壤理化背景值分析發(fā)現(xiàn)，重金屬含量越高的土壤，微生物多樣性相對(duì)越低。此結(jié)論與已有研究相符（Chen et al.，2014；Xie et al.，2016），同時(shí)本研究也通過方差分解分析（VPA）得出重金屬是影響尾礦土壤微生物結(jié)構(gòu)組成解釋度最高的單類環(huán)境變量（圖1），很大程度決定著該區(qū)域微生物群落的組成結(jié)構(gòu)：提示重金屬含量越高對(duì)微生物類群造成的非生物脅迫越大，而這種選擇壓力會(huì)促進(jìn)微生物群落迅速進(jìn)化，淘汰無法適應(yīng)的類群，逐漸保留具有較強(qiáng)適應(yīng)性的菌群。

圖1 三大類理化參數(shù)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響的方差分解分析Fig. 1 Variance Partitioning Analysis (VPA) of the three categories of physicochemical indices on microbial community composition

表2 α多樣性指數(shù)組間差異顯著性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The significant difference of the alpha indices among each group

基于 OTU table表格進(jìn)行 Bray-Curtis PCoA（Principal Coordinate Analysis）計(jì)算并產(chǎn)出散點(diǎn)圖（圖2），以展示樣品間基于物種類型和豐度的整體分布趨勢(shì)。圖中軸一和軸二疊加解釋了土壤菌群多樣性變異度總值約33.66%，結(jié)果顯示縱剖的樣品與橫向取樣的樣品各自聚類分明。同時(shí)，縱剖的樣品隨著軸2分布明顯，ZP0的樣品與ZP1的樣品隨著軸一大致區(qū)分；而橫向采樣的樣品HX1和HX2樣點(diǎn)聚類在一起，說明兩個(gè)點(diǎn)的樣品物種更為相似，與HX3的樣品物種組成差異較大。

圖2 Bray-Curtis PCoA（Principal Coordinate Analysis）散點(diǎn)聚類圖Fig. 2 Bray-Curtis PCoA (Principal Coordinate Analysis) based on OTU table information

2.3 微生物群落門、科、屬組成規(guī)律

本研究共獲得10806個(gè)非冗余OTU類型，獲得有效物種注釋的25門、63綱、83目、169科、437種。細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門的組成相對(duì)豐度如圖3A所示，變形桿菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）的平均相對(duì)豐度約為 54.35%和22.39%，占主導(dǎo)地位；其余的擬桿菌門（Bacteroidetes）、衣原體門（Chlamydiae）、厚壁桿菌門（Firmicutes）及疣微菌門（Verrucomicrobia）的平均相對(duì)豐度分別約為3.18%、3%、2.68%和2.1%，豐度相對(duì)較低。Ghosh et al.（2018）在錳礦尾礦污染土壤中同樣發(fā)現(xiàn)了變形桿菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）兩個(gè)主要門類；同樣Yan et al.（2020）在金礦尾礦污染區(qū)域發(fā)現(xiàn)大部分的重金屬抗性類群也歸屬于這兩個(gè)門。

圖3 物種組成柱狀圖A與B圖分別為TOP10的門及屬層級(jí)的物種組成柱狀圖Fig. 3 Microbial composition. A and B represented the bar chart of the TOP10 taxa on Phylum and Genus level, separately

在屬層級(jí)下，圖3B顯示假單孢桿菌屬（Pseudomonas）、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）和硫桿菌屬（Acidithiobacillus）平均相對(duì)豐度分別約為17.37%、8.62%和 7.85%，豐度相對(duì)較高；其次雷爾氏菌屬（Ralstonia）、分支桿菌屬（Mycobacterium）和鞘氨醇桿菌屬（Sphingobacterium），平均相對(duì)豐度分別約為2.91%、2.84%和1.62%），是平均豐度大于 1%的主要屬類別。上述的幾個(gè)豐度較高的類群大都被報(bào)道具有耐高砷或進(jìn)行砷代謝的能力，被用來進(jìn)行砷污染的修復(fù)（Karn et al.，2016；Páez-Espino et al.，2020）。

2.4 所有樣品共有的核心微生物組分析

由于尾礦樣品存在多種重金屬污染，理化性質(zhì)差異較大，對(duì)核心類群的研究更利于發(fā)現(xiàn)具有較高適應(yīng)能力的細(xì)菌群體組成。圖4A左邊柱狀圖結(jié)果顯示，所有樣品中的核心類群在門、綱、目、科、屬分類層級(jí)上，各自占比約59.26%、53.66%、57.25%、46.27%、25.92%，當(dāng)把類群豐度考慮在內(nèi)時(shí)，屬層級(jí)上，所有分組中核心類群平均占比超過90%（圖4A右邊豐度柱狀圖）。

圖4 所有樣品中共享的核心類群的豐富度、豐度和物種信息Fig. 4 Richness, abundance and identity of taxa shared across all samples

同時(shí)，我們構(gòu)建了核心類群在屬層級(jí)的物種分布熱圖，排除了那些沒有特定物種譜系的共享屬，僅考慮具有明確物種定位的已知屬在所有樣品中的分布規(guī)律。圖4B顯示一共保留26個(gè)屬，橫向樣品和縱剖樣品基本能各自很好的聚類，說明核心物種豐度分布在兩種取樣方式間差異明顯。具體結(jié)果顯示鐵線菌屬（Ferrithrix）、硝化螺旋菌屬（Nitrospira）、乳桿菌屬（Lactobacillus）、硫化桿菌

屬（Sulfobacillus）、硫酸狀桿菌屬（Acidithiobacillus）、鐵原體屬（Ferroplasma）、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）和雷爾氏菌屬（Ralstonia）在縱剖樣品中豐度分布相對(duì)高于橫向采集的樣品。除去已明確功能的不動(dòng)桿菌屬的一些種，有研究表明鐵線菌屬是一種鐵/硫氧化性異養(yǎng)極端嗜酸性放線菌（Rathna et al.，2020）；硝化螺旋菌屬被認(rèn)為是可以進(jìn)行亞硝酸鹽氧化功能的最多樣化和最廣泛分布的一個(gè)屬（Daims et al.，2016）；乳桿菌屬中Lactobacillus plantarum被證明是具有緩解或進(jìn)行重金屬修復(fù)的功能菌（Ameen et al.，2020）；而硫化桿菌屬和硫酸狀桿菌屬被廣泛報(bào)道具有重金屬抗性的能生物吸附重金屬離子的工程菌（Dopson et al.，2014，Huang et al.，2020）；研究顯示鐵原體屬對(duì)砷極具抵抗力的一種古菌（Baker-Austin et al.，2007）。此外，鏈球菌屬（Streptococcus）、鞘脂桿菌屬（Sphingobacterium）、地桿菌屬（Geobacter）、硫桿菌屬（Thiobacillus）、棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、假單孢桿菌屬（Pseudomonas）、嗜酸菌屬（Acidiphilium）等均在橫向樣品中豐度較高，同樣這些菌都被報(bào)道過具有重金屬抗性或分離自極端生境中，能在重金屬含量較高的極端生境中存活（Methé et al.，2005；Ordó?ez et al.，2005；Holmes et al.，2009；Rafiq et al.，2019）。

綜上，雄黃尾礦污染的土壤中少數(shù)類型的核心屬在整體微生物群落中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這些特定的屬均被報(bào)道具有耐高砷或代謝重金屬的功能。縱剖采樣與橫向采樣的土壤，其核心類群的豐度及分布趨勢(shì)并不相同。

2.5 微生物群落與理化相關(guān)性分析

本研究采用了冗余分析（RDA）來研究影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境變量成分，將門層級(jí)的物種組成及所測(cè)得的環(huán)境理化因子進(jìn)行共線性分析，見圖5A（軸1方差解釋度=57.97%，軸二方差解釋度=17.4%）。圖中箭頭長(zhǎng)度表示環(huán)境因素與樣本分布的相關(guān)程度，5種有害重金屬中鉛、鎘、砷對(duì)樣品中物種組成解釋度較高，而鋅與銅則影響較弱；砷的各種形態(tài)中，鋁型砷對(duì)于所有樣品的物種組成解釋度最高，各種形態(tài)間彼此具有正相關(guān)性；二價(jià)鐵的影響是所有環(huán)境參數(shù)中影響最小的因子，總鐵的影響相對(duì)較高。物種垂直于理化線或其延長(zhǎng)線的垂直距離原點(diǎn)的遠(yuǎn)近體現(xiàn)二者相關(guān)強(qiáng)弱，結(jié)果顯示擬桿菌門（Bacteroidetes）、衣原體門（Chlamydiae）與硫酸根、TOC、二價(jià)鐵、總鐵、pH、鉛和鋅呈較強(qiáng)正相關(guān)，而與其余環(huán)境參數(shù)成較強(qiáng)負(fù)相關(guān)；放線菌門（Actinobacteria）、硝化螺旋菌門（Nitrospira）、疣微菌門（Verrucomicrobia）與總硫、單質(zhì)硫、總砷、游離砷、各類結(jié)合態(tài)砷、鎘呈正相關(guān)，而厚壁桿菌門（Firmicutes）、酸桿菌門（Acidobacteria）及廣古菌門（Euryarchaeota）受到的環(huán)境參數(shù)的影響相對(duì)較弱。

圖5 理化與微生物相關(guān)性分析Fig. 5 Correlation analyses of physicochemical indices and microbial taxa.

為研究各類環(huán)境參數(shù)值對(duì)微生物主要類群的影響，我們繪制了TOP 100的OTUs及環(huán)境參數(shù)共存網(wǎng)絡(luò)圖（Co-occurrence network）（圖5B），結(jié)果顯示一共產(chǎn)生257條相關(guān)性線條，包含115條正相關(guān)關(guān)系和142條負(fù)相關(guān)關(guān)系，大部分的OTUs與多個(gè)環(huán)境影響因子具有相關(guān)性。其中Cd和As是最主要的環(huán)境影響因子，分別影響了32個(gè)和31個(gè)不同類型的 OTUs（相關(guān)系數(shù)|r|≥0.6，P＜0.05），其次 Pb、Zn和總鐵影響了超過20個(gè)不同類型的OTUs，而TOC、游離態(tài)砷、黃鐵礦硫以及二價(jià)鐵對(duì) OTUs的影響較低，各自影響的OTUs類型數(shù)目在10個(gè)以下。

為明確核心物種與理化相關(guān)性，本研究把鑒定獲得的所有樣品中的核心微生物類群（屬層級(jí)）與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性共存網(wǎng)絡(luò)圖分析（相關(guān)系數(shù)|r|≥0.6，P＜0.05）（圖5C），用來揭示關(guān)鍵類群在不同環(huán)境因子下的相關(guān)性大小。結(jié)果顯示較高豐度的假單孢桿菌屬（Pseudomonas）、硫桿菌屬（Thiobacillus）、鏈球菌屬（Streptococcus）、棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、水桿菌屬（Aquabacterium）以及分支桿菌屬（Mycobacterium）構(gòu)成一個(gè)最大的相互正反饋的集合，并且與鐵型砷、鋁型砷、閉蓄型砷含量成顯著性負(fù)相關(guān)，但與總砷成顯著正相關(guān)。已有研究表明前四種菌均已明確具有亞砷酸氧化功能，而Corynebacterium則被報(bào)道具有依賴硝酸鹽亞鐵氧化功能（Zhang et al.，2016），產(chǎn)生三價(jià)鐵推測(cè)可在體外與亞砷酸產(chǎn)生非生物氧化作用。提示這個(gè)集合的菌群可能存在將毒性較強(qiáng)的三價(jià)砷氧化為五價(jià)砷，并使其與鐵鋁結(jié)合而減少砷污染的情況。

其次鐵原體屬（Ferroplasma）與硫化桿菌屬（Sulfobacillus）、硫酸狀桿菌屬（Acidithiobacillus）構(gòu)成了正相關(guān)的集合（Module），在此集合中，與游離態(tài)砷和亞鐵成顯著正相關(guān)，與pH成負(fù)相關(guān)，且整體與假單孢桿菌屬（Pseudomonas）菌群集合以負(fù)相關(guān)為主，有研究表明Sulfobacillus的某些種在氧氣限制條件下傾向于利用三價(jià)鐵作為電子受體進(jìn)行耦合還原反應(yīng)（Tsaplina et al.，2010），而Acidithiobacillus則被報(bào)道存在厭氧硫代謝與異化鐵還原的耦合行為（Mangold et al.，2013），雖然該屬的某些種也被報(bào)道具有砷氧化功能。本次結(jié)果提示該集合可能存在通過還原三價(jià)鐵，消耗氫離子，結(jié)合不同的機(jī)制促進(jìn)砷的釋放加重環(huán)境污染。

此外，具有顯著抗砷功能的不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）與雷爾氏菌屬（Ralstonia）和總碳形成一個(gè)顯著正相關(guān)的集合，提示環(huán)境營(yíng)養(yǎng)程度對(duì)這兩個(gè)屬的物種的生長(zhǎng)具有非常重要的促進(jìn)作用。大部分具有重金屬耐性的核心類群之間可能存在功能互補(bǔ)促進(jìn)彼此對(duì)極端生境的耐受性。

3 結(jié)論

本研究以湖南省石門縣雄黃礦廢棄地的砷污染土壤為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同土壤層深度和不同水平距離的土壤中有害重金屬濃度及其危害程度的研究，以及不同樣品微生物群落的變化趨勢(shì)及理化物種相關(guān)性分析。研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)；重金屬在土壤中隨著時(shí)間累積會(huì)存在縱向遷移現(xiàn)象，隨著橫向距離的加大重金屬含量濃度遞減。VPA及RDA分析結(jié)果表明，有害重金屬是影響土壤微生物群落組成多樣性最關(guān)鍵的因素，尤以砷和鎘最為重要。

橫向樣品和縱向樣品物種組成差異較大，特別是依據(jù)優(yōu)勢(shì)共享屬與理化共存網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)果分析，橫向樣品中的嗜酸菌屬（Acidiphilium）、假單孢桿菌屬（Pseudomonas）、棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、硫桿菌屬（Thiobacillus）以及水桿菌屬（Aquabacterium），可能具有促進(jìn)砷的固定，降低砷的環(huán)境污染功能；而縱向樣品中的鐵原體屬（Ferroplasma）、硫酸狀桿菌屬（Acidithiobacillus）、硫化桿菌屬（Sulfobacillus）、乳桿菌屬（Lactobacillus）、硝化螺旋菌屬（Nitrospira）等，則有加速環(huán)境中固定砷的釋放，加重砷污染的可能。后續(xù)研究可以結(jié)合宏基因組Binning技術(shù)，深入研究有益菌群耐砷及代謝互作機(jī)制，為制作復(fù)合菌劑以及處理深層土壤砷污染做理論鋪墊。