2013年度國家自然科學(xué)獎二等獎。 2100433B

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

針對目前重金屬污染土壤氮循環(huán)受阻、植物提取修復(fù)效率低下、修復(fù)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(chǔ)，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(xué)機制，并探討蚯蚓在與植物聯(lián)合修復(fù)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(huán)重要過程——硝化過程的影響及其微生物學(xué)機制；然后，利用穩(wěn)定同位素探針技術(shù)(DNA-SIP)聯(lián)合高通量Illumina測序技術(shù)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(lián)合龍葵修復(fù)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(huán)功能退化及其植物修復(fù)過程中氮素供給問題提供堅實的理論依據(jù)。

植物提取因投入成本低、能將重金屬從土壤移除等優(yōu)勢被認為是土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)中最具發(fā)展前景的修復(fù)方式之一。然而該技術(shù)由于超富集植物生長緩慢、生物量小、修復(fù)效率低等問題在實際應(yīng)用中受到限制。針對這個問題，本項目從土壤生態(tài)系統(tǒng)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(huán)過程-硝化過程的影響。項目主要基于兩個培養(yǎng)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(guī)律及其微生物學(xué)機理，并利用穩(wěn)定同位素探針技術(shù)（DNA-SIP）原位鑒定了重金屬污染土壤中接種蚯蚓前后的自養(yǎng)型氨氧化微生物。本項目主要研究結(jié)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(yǎng)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(zhì)黏壤土中銨態(tài)氮含量均顯著升高，酸性壤土中硝態(tài)氮含量無顯著變化，而中性砂質(zhì)黏壤土中硝態(tài)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(fù)或刺激土壤氮循環(huán)功能，相關(guān)分析結(jié)果表明蚯蚓可能主要是通過提高土壤pH、銨態(tài)氮含量和AOB的豐度影響酸性土壤的硝化過程；定量PCR結(jié)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(diào)控中性土壤的氮素循環(huán)；DNA-SIP實驗結(jié)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(lián)合高通量測序的結(jié)果表明，蚯蚓主要通過刺激Nitrospira和Nitrosospira兩種硝化微生物恢復(fù)Cd污染土壤的硝化過程。本項目結(jié)果能夠為蚯蚓在重金屬污染土壤的微生物-動物-植物聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

本項目擬以海水養(yǎng)殖廢水中的氮、磷為目標污染物，采用溫室培養(yǎng)、同位素示蹤、土柱模擬以及微區(qū)試驗等方法，研究耐鹽植物對海水養(yǎng)殖廢水中污染物的凈化作用機制及其調(diào)控機理。明確污染物在土壤-植物體系間的遷移、轉(zhuǎn)化及其循環(huán)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(yōu)化污染物高效凈化的各項關(guān)鍵參數(shù)，明確耐鹽植物凈化體系的調(diào)控機制，最終建立安全、穩(wěn)定、高效的海水養(yǎng)殖廢水凈化體系。該體系的建立，可緩解海水養(yǎng)殖廢水向海洋直接排放所造成的海洋環(huán)境污染，促進近海水土資源的合理配置和優(yōu)化升級，對海岸帶的生態(tài)修復(fù)與重建，海水農(nóng)業(yè)漁業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有積極推動作用。 2100433B