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(shù)，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(jié)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。

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(guān)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(jié)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(zhuǎn)（turnover）而非嵌入（nestedness）驅(qū)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(zhì)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(zhì)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(guān)性，而Mantel分析則將這種差異與Cr、Cr6+、Pb和TPH的濃度相關(guān)聯(lián)。結(jié)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(guān)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(jié)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(jié)果
（1）污染土壤的物理化學性質(zhì)
表1：受污染土壤的物理化學性質(zhì)
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(zhì)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(zhì)性（D）Faith pd。
E–F.   基于未加權(quán)unifac距離（E）和加權(quán)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(zhuǎn)（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。

1. 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
2. 條形圖說明了微生物組生境生態(tài)位寬度差異。
3. 條形圖說明了Bray-Curtis距離差異。
4. 群落構(gòu)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(zhì)分散在微生物組裝中占主導地位。βNTI＜-2表明均質(zhì)選擇主導微生物組裝過程。
5. Mantel試驗說明了群落組成、功能和污染物含量之間的相關(guān)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�。↙EfSe）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。

1.   基于屬豐度的NMDS (Bray-Curtis)結(jié)果和KEGG 3級分類豐度的Procrustes分析結(jié)果，表明微生物群組成與微生物群落功能之間的相關(guān)性。
2.   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(guān)功能挖掘


圖6：Ctrl組、TPH組、HM組和Comb組的微生物組抗性差異。

1. 條形圖顯示總Cr抗性基因的豐度差異。
2. 熱圖顯示10個Cr抗性基因的豐度差異。
3. 條形圖顯示參與外源生物降解和代謝基因的豐度差異。
4. 熱圖顯示22種外源生物降解和代謝通路的豐度差異。
5. 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(jié)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(jié)果表明，群落物種周轉(zhuǎn)（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(chǎn)生均質(zhì)選擇脅迫，而TPH污染對土壤生物群落產(chǎn)生均質(zhì)分散脅迫。Cr、Cr6+、Pb和TPH濃度對群落組成和功能相關(guān)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。

參考文獻：
Zhang D, Hu Q, Wang B, Wang J, Li C, You P, Zhou R, Zeng W, Liu X, Li Q. Effects of single and combined contamination of total petroleum hydrocarbons and heavy metals on soil microecosystems: Insights into bacterial diversity, assembly, and ecological function. Chemosphere. 2023 Sep 30:140288. pii: S0045-6535(23)02558-4. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.140288. PubMed PMID: 37783354.