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多组学联合解析王草与耐性菌协同修复Cd-Cr复合污染土壤的共调控效应及机制研究

批准号:
42207467
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
20.0 万元
负责人:
李栋
依托单位:
学科分类:
污染物环境行为与效应
结题年份:
2024
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
李栋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
微生物协同植物修复是一项低成本、环保、有效的重金属污染土壤原位治理技术,植物根系和土壤微生物之间的相互作用对于植物修复工作至关重要。前人研究多集中于植物修复重金属污染土壤效应的研究,而忽略了根系分泌物调控及功能微生物与分泌物协同调控重金属有效性的研究。本试验以适宜海南的Cd/Cr富集植物王草与耐重金属的土著优势菌联合体系为研究对象,结合高通量组学、转录组学、代谢组学等多组学技术手段的应用,通过培养、根箱和盆栽试验,挖掘矿区周边污染土壤中耐性菌种资源,探索重金属复合污染土壤中耐性菌对王草根系分泌物组成特性的影响,揭示关键根系分泌物与重金属有效性的互馈关系;明晰根际化学与生物过程中关键根系分泌物的代谢途径及其相关基因表达和蛋白质功能,阐明王草根系与耐性菌协同调控Cd和Cr有效性的耦合机制,为富集植物通过根际调控提高修复效率提供理论指导和科学依据。
英文摘要
Microbial-assisted phytoremediation is a low-cost, environmentally friendly and effective technique for in-situ remediation of heavy metals-contaminated soils, and the interaction between plant roots and soil microorganisms is crucial to phytoremediation efforts. More studies have shown that plant development affects the composition of the soil microbiota and its functions, but relatively few studies have understood the secretion characteristics of plants and the uptake characteristics of microbial substrates and their metabolic pathways. The aim of this project is to formulate a novel phytoremediation strategy by using Hainan's local metals-accumulating plants-king grass (Pennisetum Americanum × P. purpureum) coupled with soils metal-resistant microbes. A series of root box experiment, pot experiment and microcosm incubation based on the multi-omics techniques such as high-throughput histology, transcriptomics and metabolomics will be employed to determine: 1) to exploit the tolerant microbes in the soil around the mining area, 2) to investigate the constituents and differences of the root exudates of king grass under different treatment conditions in Cd-Cr complex contaminated soils, 3) to clarify the metabolic pathways of the root exudates which play a major role in enriching for Cd-Cr, and metabolite-related gene expression and protein function; 4) to elucidate the regulatory relationships between Cd/Cr availability and king grass synergistically with resistant bacterium. Furthmore, this study will provide the scientific evidence of improve phytoextraction efficiency by rhizosphere regulation.
植物-微生物联合修复重金属污染土壤具有成本低、效率高和绿色环保等优势,挖掘新的具有重金属修复潜力的土著微生物是植物-微生物联合修复技术的关键。本研究从海南金矿周边土壤中分离筛选出耐Cd-Cr的细菌并确定其种属,结合高通量组学、转录组学、代谢组学等多组学技术手段的应用,通过培养、根箱和盆栽试验,本研究筛选得到3株能耐受Cd-Cr的菌株,分别命名为L1-N1、CKN12和S27,通过形态学、生理生化及16S rDNA对耐性菌株L1-N1和CKN12进行菌属鉴定,菌株L1-N1为科氏葡萄球菌(Staphylococcus cohnii),菌株CKN12为蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus),菌株S27为沙雷氏菌(Serratia marcescens)。SEM-EDX图分析结果表明,两株菌株细胞表面都吸附了Cd2+和Cr6+,并且推测L1-N1菌株在吸附重金属离子过程中发生了离子交换作用。菌株L1-N1和CKN12都具有一定的促生特性。与单种王草相比,王草接种L1-N1、CKN12均显著提高了株高和生物量;接种CKN12菌株,王草植株内的重金属Cd和Cr含量显著高于未接种的植株,且王草对复合污染土壤中Cd和Cr的去除率也显著提高。同时本研究建立了Serratia marcescens S27与王草联合修复系统,研究耐性菌调控植物修复重金属机制。研究发现表明,S27的加入显著提高根生物量,分别增加了95.2%和124.3%,镉和铬的去除效率分别从14.38%和10.02%提高到21.25%和14.79%(P<0.05)。S27-王草系统展示了根际微生物群落结构的多样性变化和稳定的共生网络,确定了关键微生物群落,如变形菌门、酸杆菌门和拟杆菌门,它们在三羧酸循环相关基因方面显著富集,表明它们对功能基因表达的重要贡献。通过水平基因转移(HGT)分析揭示了功能基因,如sucC(88.5%)和sucD(69.4%)在不同微生物群落之间的迁移。本研究结果强调了S27在通过调节土壤微生物功能和基因转移来增强植物修复方面的创新潜力,阐明了微生物增强植物修复土壤重金属的根际调控机制。
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