污染阶地的土壤原生动物对酸性矿山废水的响应

Response of soil protozoa to acid mine drainage in a contaminated terrace

Journal of Hazardous Materials [IF:10.588]

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126790

发表日期：2021-07-30

第一作者：Rui Xu(徐锐)^1,2

通讯作者：Weimin Sun(孙蔚旻)(wmsun@soil.gd.cn)^1,2,3,4

合作作者: Miaomiao Zhang, Hanzhi Lin ,Pin Gao,Zhaohui Yang,Dongbo Wang,Xiaoxu Sun,Baoqin Li,Qi Wang

主要单位：

¹广东省科学院生态环境与土壤研究所(National-Regional Joint Engineering Research Center for Soil Pollution Control and Remediation in South China, Guangdong Key Laboratory of Integrated Agroenvironmental Pollution Control and Management, Institute of Eco-environmental and Soil Sciences, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510650, PR China)

²中国科学院广州地球化学研究所(Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory for Environmental Pollution and Control, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences Guangzhou 510640, PR China)

³河南师范大学环境学院(School of Environment, Henan Normal University, PR China)

⁴黄河与淮河水环境与污染控制教育部重点实验室(Key Laboratory of Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, PR China)

写在前面

近日，广东省科学院生态环境与土壤研究所孙蔚旻研团队在环境科学国际著名期刊《Journal of Hazardous Materials》发表最新研究成果。团队采用宏基因组学技术揭示了原生动物在酸性矿山废水侵蚀土壤中的多样性特征及其对环境因子的响应机制。

关键字：原生动物，酸性矿山废水，pH，土壤微生物群落，共现网络

图文摘要

原生动物对酸性矿山废水侵蚀土壤的生态响应机制示意图

摘要

酸性矿山废水(AMD)因其pH值低、金属浓度高而成为最不利于微生物生存的环境之一。与细菌和真菌相比，我们对土壤原生动物对这种极端酸性环境的反应的了解仍然有限。这项研究描述了栖息在被 AMD 严重污染的阶地上的原生动物群落的结构。这个阶地的陡峭环境梯度是由位于下方的 AMD 湖的年度洪水产生的，这为解开环境与原生动物的相互作用提供了自然环境。以前未被认识的原生动物，如 Apicomplexa(顶复门原虫) 和 Euglenozoa(眼虫门原虫)，在极酸性土壤中占主导地位，而不是众所周知的种类。pH 值是调节原生动物类群丰度最重要的因素。原生动物代谢潜力的宏基因组分析表明，许多编码缓解酸胁迫和各种代谢途径的功能基因被富集，这可能有助于原生动物的生存和对酸性环境的适应。此外，还观察到*原生动物与细菌或真菌类群之间的许多共生现象，表明它们之间存在共同的环境偏好或潜在的生物相互作用。需要进一步的研究来确认这些以前未被认识的原生动物作为重要的土壤微生物的生态作用。

亮点

• 对栖息在被酸性矿山废水(AMD) 严重污染的阶地中的土壤原生动物进行了表征。

• 顶复门原虫和眼虫门原虫在极酸性土壤中占主导地位。

• pH 值是调节原生动物类群丰度的最重要因素。

• 观察到顶复门原虫和细菌或真菌成员之间的共变异。

全文速览

土壤中有着丰富的微生物类群，其中原生动物(非真菌的真核微生物)是土壤生态系统的重要组成部分，含量约为10-1000个/克土。原生动物是土壤微生物(如细菌和真菌)最主要的捕食者、分解者以及寄生者，它们对于维持地下食物网平衡以及驱动土壤元素循环都有着重要作用。但是，相较于土壤细菌或真菌，人们对于土壤原生动物的认识还很不够，尤其是在一些极端条件下土壤原生动物的多样性及其环境功能有待进一步解析。本研究以受酸性矿山废水（AMD）侵蚀的极端土壤为例，采用宏基因组学分析方法解析了原生动物在这类强酸性（pH < 3）和高重金属浓度的极端环境中的多样性特征，并探究了它们对极端环境因子的响应机制。

主要结果

图1 土壤样品的主要理化数据

阶地被酸性矿山废水(AMD) 污染较轻 (LF, n = 6) 和较重 (UF, n = 9)的 土壤样品的地化参数:(A) pH, (B) 硝酸盐含量, (C) 硫酸盐含量, (D) Fe(II) 含量, (E) 总铁 (Fe(tot)) 含量, (F) 总氮 (TN) 含量, (G) 总碳 (TC) 含量, (H ) 总有机碳 (TOC) 含量、(I) 铬 (Cr) 含量、(J) 铜 (Cu) 含量、(K) 锰 (Mn) 含量和 (L) 锌 (Zn) 含量。

标签“P < 0.05”表示使用 t 检验的两个字段之间的差异显著。

按AMD侵蚀程度分为较轻(LF)和较重(UF)两组。说明：两组样品在AMD长期侵蚀下都形成了极酸和高硫环境，并且侵蚀程度越重，土壤pH越低( < 3)，营养越贫瘠，土壤微生物的生存条件越恶劣。

图2 AMD土壤中主要的原生动物类群及其丰度

下层(LF，n = 5)和上层(UF，n = 5)中(A)门水平和(B)属水平原生动物群落的宏基因组丰度。

标签“*”表示两个地块之间丰度的差异显著。

说明：Apicomplexa和Euglenozoa是极端酸性土壤中的优势类群，而一些常见的土壤原生动物类群，如丝足虫门(Cercozoa)则丰度很低。此外，Apicomplexa和Euglenozoa在重度侵蚀的LF场地中富集更显著。在属水平主要的类群是Leishmania和Plasmodium。

图3 影响土壤原生动物群落结构的因素

(上图)冗余分析 (RDA) 显示了地化参数(箭头)对主要原生动物群落(黑点)宏基因组丰度的影响。

箭头长度表示与给定排序轴的相关强度。蓝色方块和绿色的点代表来自下层(LF，n = 5)和上层(UF，n = 5)的样本。

(下图)地化参数和原生动物群落的共现网络。

成对相关性表示地化参数(灰色节点)和原生动物群落(颜色节点)之间的强且显著的 Spearman 相关性（|R|>0.8，P < 0.05）。红色和蓝色链接分别代表正相关和负相关。 节点大小与连接度成正比。

冗余分析与共现性网络分析揭示了土壤pH、硫酸盐浓度、有机碳含量等是影响土壤原生动物类群丰度的重要环境因子

图4 原生动物序列的KEGG功能基因注释

宏基因组分析表明栖息在 AMD 土壤中的原生动物群落的代谢潜力。

(A) 热图显示了下层(LF，n = 5)和上层(UF，n = 5)中原生动物功能基因的丰度。使用完全聚类法将基因丰度分为四个主要聚类(I、II、III 和 IV)。

(B) 主成分分析 (PCA) 表明，基于原生动物功能基因的丰度，LF 样品与 UF 样品明显分开。

(C) 通路富集分析表明LF富集的基因编码许多重要的代谢通路。

说明：宏基因组功能基因分析表明，原生动物的基因丰度可聚类为四簇，其中绝大部分(如cluster I和III)在重度侵蚀的LF场地中显著富集。这些功能基因编码多种抗逆机制，可能有助于原生动物缓解酸胁迫和重金属胁迫，从而增强环境适应性。

图5 AMD土壤中原生动物与细菌和真菌群落的相关性

原生动物(属水平)与(A)细菌(纲水平)和(B)真菌(纲水平)之间成对相关性的热图可视化。

使用各自分类法的宏基因组丰度计算相关性。 蓝色和绿色方块分别代表正相关和负相关(|R| > 0.6 和 P < 0.05)。

说明：原生动物与细菌或真菌类群之间存在大量共生现象，这表明它们之间存在共同的环境偏好或潜在的生物相互作用。

总结

本研究表明土壤原生动物群落的变化可能受到地化参数以及其他土壤微生物相互作用的影响。一方面，各种原生动物是以细菌和真菌为食的吞噬生物，因此可能调节土壤生物多样性、微生物群落组成，并以“自上而下”的方式与其他土壤微生物相互作用。另一方面，原生动物群落也可能受到外部环境胁迫(如土壤pH或营养浓度)的间接驱动。本研究揭示了原生动物在极端土壤环境中的生态适应性特征，为进一步研究地球化学参数与土壤微生物相互作用提供了理论支持。

作者简介

徐锐：广东省生态环境与土壤研究所助理研究员，主要从事环境微生物宏基因组学研究工作。相关成果已发表SCI论文70余篇，其中在EM、AEM、JHM、JCP、BT等环境微生物著名期刊发表一作SCI 论文18篇，累计他引约2500余次(H-index=27)，主持国家自然科学基金等在内的6项科研课题。

孙蔚旻：研究员，广东省生态环境与土壤研究所“土壤环境创新团队”中方负责人，广东省珠江人才计划青年拔尖人才，2012年毕业于密西根州立大学环境工程系，新泽西罗格斯大学博士后。主要围绕环境组学、DNA-SIP技术、重（类）金属与有机污染物的微生物代谢机制等方面开展了大量研究，相关成果已发表高水平SCI论文90余篇，主要收录在EST、EM、AEM、EI等环境微生物学权威期刊。

Reference

Rui Xu,Miaomiao Zhang, Hanzhi Lin ,Pin Gao,Zhaohui Yang,Dongbo Wang,Xiaoxu Sun,Baoqin Li,Qi Wang,Weimin Sun. Response of soil protozoa to acid mine drainage in a contaminated terrace. Journal of Hazardous Materials (2021).https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126790

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