摘要
由于稀土具有优异的特性被广泛应用，对稀土的需求与日俱增。在稀土露天开采中，在废弃的稀土矿山或尾矿堆积过程中，甚至在电子设备废料中，稀土元素经常与重金属一起出现，导致严重的稀土-重金属复合污染，引起一系列环境问题，甚至对人体造成潜在危害。稀土元素已被列为新兴污染物，而过量重金属几乎对所有微生物都具有毒性。稀土引起的生态效应逐渐受到重视，而忽略了与重金属共存的协同效应。虽然土壤微生物与土壤生态系统的稳定性及生物地球化学循环密切相关，但是，稀土和重金属双重干扰对土壤微生物群落和生态功能的影响尚不清楚。 本研究以白云鄂博稀土矿区和包头尾矿区为研究区域，采集受稀土-重金属共污染土壤和周围相对无污染土壤作为对照，结合地球化学分析、扩增子测序、宏基因组测序和基因组组装分析的方法，系统地分析了长期稀土和重金属扰动下细菌和真菌群落的响应以及影响细菌群落结构组成的主要驱动因素，探索稀土-重金属胁迫下微生物类群的生存策略和抗性机制以及微生物固碳、氮和硫循环的生态功能的变化。主要研究结论如下： （1）地球化学分析结果显示，露天稀土开采和尾矿堆积致使周围土壤中积累了大量的稀土和重金属元素，导致了严重的稀土-重金属的复合污染，其中稀土元素La和Ce含量较高（分别为100–3,000mg/kg和300–6,000mg/kg），是土壤背景值的十几倍甚至上百倍，部分污染土壤中的重金属Cr（500mg/kg左右）、Zn（300–600mg/kg）和Pb含量（100-400mg/kg）超过了中国土壤环境质量标准风险筛选值；污染土壤呈盐碱化，养分流失，尤其是土壤中氮含量匮乏，土壤生态系统退化。 （2）基于扩增子测序分析表明，在稀土和重金属的双重扰动下，细菌和真菌群落多样性和丰度明显下降，群落结构和组成发生显著变化，尤其是复合污染最严重的土壤。细菌和真菌对复合污染的响应存在差异，细菌比真菌更敏感。稀土-重金属复合污染土壤具有独特的微生物群落组成，在稀土尾矿区寡营养微生物（如：Psychrobacter、Planomicrobium和Planococcus）普遍存在，而Exiguobacterium很可能是敏感指示性生物。在稀土矿区，优势类群Rhodobacteraceae、Beijerinckiaceae、Sphingomonadaceae、Chitinophagaceae、Longimicrobiaceae、Burkholderiaceae、Cellulomonadaceae、Nocardioidaceae、Geodermatophilaceae和Micrococcaceae等是高污染土壤中细菌群落的关键类群，均与稀土和重金属浓度呈显著正相关。 （3）随机森林分析、冗余分析和VPA分析结果显示，在稀土-重金属复合污染土壤中，细菌群落结构、多样性以及物种组成受稀土、重金属和土壤理化性质共同调控，其中稀土和重金属对细菌群落结构差异性的贡献度相似，但它们的协同作用大于它们各自的单独作用。 （4）网络分析结果表明，在复合污染环境中，土壤微生物群落的共生格局发生了改变，微生物间的相互作用增强，促进了优势类群对不利环境的适应性或抗性；细菌群落发展出更多的竞争关系，而真菌群落发展出更多的共生关系。同时，宏基因组测序分析显示：微生物类群发展了更为灵活多样的生存策略，并且普遍存在携带重金属抗性/耐性基因的微生物类群，来增强对环境胁迫的适应性或抗性。 （5）基于宏基因组测序分析结果表明，在受污染土壤中，固碳途径卡尔文（CBB）循环和Wood-Ljungdahl途径占比增增加；与硝化作用相关的amo功能基因丰度降低，与固氮相关的nif和vnf功能基因丰度增加，与硝酸盐还原过程有关的nap、nar、nis、nor以及nos功能基因的丰度增加，这可能与污染土壤中TN匮乏有关，存在生态系统退化的风险。 （6）宏基因组组装分析结果表明，在复合污染土壤中光合自养菌可能发挥有机碳和氮素营养积累的重要的生态功能，有利于矿区复垦的初步演替；在污染土壤中广泛存在硫氧化功能类群，介导了硫氧化与固碳和硝酸盐还原的耦合。具有多种代谢功能的蓝藻菌、脱硫菌和红杆菌是复合污染土壤中参与C、N、S循环的重要功能类群，值得关注这些微生物类群。 本研究系统地分析了稀土和重金属复合污染对微生物群落的影响及生态功能的变化，深入了解了复杂环境中微生物的生存策略和适应机制，对复合污染的生态风险评估具有重要意义，特别是为共污染土壤的原位生物修复提供指导方向。
NETL