2013年度國家自然科學獎二等獎。 2100433B

主要完成人：邵明安(中國科學院水利部水土保持研究所)，張建華(香港中文大學)，上官周平(中國科學院水利部水土保持研究所)，黃明斌(中國科學院水利部水土保持研究所)，康紹忠(西北農林科技大學)

針對目前重金屬污染土壤氮循環受阻、植物提取修復效率低下、修復時限較長的問題，基于施加氮肥會促進植物生長、提高植物對重金屬積累的理論基礎，本項目擬研究蚯蚓對重金屬污染土壤氮素供給的影響及其微生物學機制，并探討蚯蚓在與植物聯合修復重金屬污染土壤中的潛力。首先，通過微宇宙鎘污染模擬實驗，研究不同梯度鎘短期污染條件下蚯蚓對土壤氮循環重要過程——硝化過程的影響及其微生物學機制；然后，利用穩定同位素探針技術(DNA-SIP)聯合高通量Illumina測序技術對重金屬污染土壤接種蚯蚓前后的氨氧化微生物進行原位鑒定，進一步探討蚯蚓在硝化微生物抵抗重金屬短期脅迫中的作用及機理；最后，通過盆栽實驗探討蚯蚓聯合龍葵修復鎘污染土壤的效果。本研究將為解決重金屬污染土壤氮循環功能退化及其植物修復過程中氮素供給問題提供堅實的理論依據。

植物提取因投入成本低、能將重金屬從土壤移除等優勢被認為是土壤重金屬污染修復技術中最具發展前景的修復方式之一。然而該技術由于超富集植物生長緩慢、生物量小、修復效率低等問題在實際應用中受到限制。針對這個問題，本項目從土壤生態系統工程師-蚯蚓入手，研究了蚯蚓對重金屬Cd污染土壤中重要氮循環過程-硝化過程的影響。項目主要基于兩個培養實驗、一個盆栽實驗探討了蚯蚓對不同Cd污染土壤中硝化過程的影響規律及其微生物學機理，并利用穩定同位素探針技術（DNA-SIP）原位鑒定了重金屬污染土壤中接種蚯蚓前后的自養型氨氧化微生物。本項目主要研究結果如下：在Cd污染和對照土壤中，蚯蚓均能提高酸性土壤的pH，而降低中性土壤的pH，減緩培養過程中水溶性有機碳的消耗，提高土壤可溶性氮含量；接種蚯蚓后，酸性壤土和中性砂質黏壤土中銨態氮含量均顯著升高，酸性壤土中硝態氮含量無顯著變化，而中性砂質黏壤土中硝態氮大量積累；盡管蚯蚓對酸性壤土凈硝化過程無顯著影響，但提高了土壤的潛在硝化潛勢，即蚯蚓能夠促進Cd污染土壤的硝化過程；盡管酸性土壤中氨氧化古菌（AOA）豐度比氨氧化細菌（AOB）更高，但蚯蚓主要通過影響AOB恢復或刺激土壤氮循環功能，相關分析結果表明蚯蚓可能主要是通過提高土壤pH、銨態氮含量和AOB的豐度影響酸性土壤的硝化過程；定量PCR結果顯示蚯蚓提高了Cd污染中性土壤的AOB豐度，但降低了AOA的豐度，即蚯蚓同樣是通過影響AOB調控中性土壤的氮素循環；DNA-SIP實驗結果進一步確證了蚯蚓通過提高中性土壤AOB而非AOA的豐度促進土壤的硝化過程；DNA-SIP聯合高通量測序的結果表明，蚯蚓主要通過刺激Nitrospira和Nitrosospira兩種硝化微生物恢復Cd污染土壤的硝化過程。本項目結果能夠為蚯蚓在重金屬污染土壤的微生物-動物-植物聯合生物修復技術中的應用提供重要的理論依據和數據支撐。

本項目擬以海水養殖廢水中的氮、磷為目標污染物，采用溫室培養、同位素示蹤、土柱模擬以及微區試驗等方法，研究耐鹽植物對海水養殖廢水中污染物的凈化作用機制及其調控機理。明確污染物在土壤-植物體系間的遷移、轉化及其循環過程；計算污染物在耐鹽植物凈化體系中的遷移通量；篩選并優化污染物高效凈化的各項關鍵參數，明確耐鹽植物凈化體系的調控機制，最終建立安全、穩定、高效的海水養殖廢水凈化體系。該體系的建立，可緩解海水養殖廢水向海洋直接排放所造成的海洋環境污染，促進近海水土資源的合理配置和優化升級，對海岸帶的生態修復與重建，海水農業漁業經濟的可持續發展具有積極推動作用。 2100433B