包气带微生物群落结构与功能的空间分带性研究

Soil contamination in the vadose zone has drawn great attention due to its ecological risks and environmental safety concerns. In-depth study on the distribution of microbial community and its associated functions is the premise for identification and evaluation of natural attenuation process. In this proposal, we select the typical industrial site and reclaimed water irrigated site as the study area, to investigate the spatial zonality of microbial community and function in the vadose zone, using advanced analytical techniques for soil physico-chemistry and molecular biology (eg., metagenomics). From the perspective of microbial community compositions and ecological function, on account of the key influence factor on spatial heterogeneity of microbial eco-system, and the interaction of microbial community composition and function under contamination stress, we elaborately investigate the regularity of vertical zonality of microbial community and function, reveal the internal relationship between microbial function and microbial eco-system, and construct microbial ecological network, geomicrobiological profile and the spatial zonality model of microbial community and function in typical locations. The research outcome will provide fundamental theory and novel insights to better understand the soil biogeochemical cycles and in situ ecological remediation in vadoze zone protection.

包气带土壤污染所引起的生态风险和环境安全问题受到高度重视，深入研究微生物群落分布与功能作用是有效识别与评价自然衰减过程的前提。项目选择典型工业园区与再生水灌溉区作为研究地段，利用土壤的高效物化分析手段与微生物基因组学等现代分子生物学技术，开展包气带微生物群落与功能的空间分带性研究。从微生物群落组构和生态功能的角度，基于对影响包气带微生态环境空间变化的关键因素、环境胁迫下微生物群落结构与功能关联关系等重要科学内容的研究，精细剖析微生物群落与功能垂向空间分带规律，揭示微生物功能与微生态环境间的内在关联性，构建微生物群落生态关系网络、典型地段地质微生物学剖面及微生物群落与功能的耦合空间分带模型，为深入了解包气带土层生物地球化学循环过程及原位生态修复污染防治提供理论基础和新的思路。

由包气带至含水层污染所引起的生态风险和环境安全问题受到高度重视，深入研究微生物群落分布与功能作用是有效识别与评价自然衰减过程的前提。项目选择典型工业园区、农业区和油田区作为研究地段，利用土壤的高效物化分析手段与微生物基因组学等现代分子生物学技术，开展包气带微生物群落与功能的空间分带性与生物地球化学过程研究。通过微生物群落组构和生态功能研究发现，在工业区和农业区等典型行业场地的包气带至饱水带土壤剖面中，土壤理化因子与微生物群落存在明显垂向空间分带性且不依赖于土地利用类型。沿着土层深度的变化，土壤pH值增加，碳、氮、磷等营养元素以及微生物多样性下降，这些土壤性质的变化是影响包气带微生物群落空间分布的关键影响因素。相较于水位波动带和饱水带微生物群落，包气带微生物群落协作关系更为紧密。然而，在包气带中起关键作用的因子对水位波动带和饱水带微生物群落的影响逐渐减弱，且由于土壤营养元素的缺失，扩散限制为饱水带微生物群落垂向空间分布的主要影响因素。在石油污染胁迫下，包气带土壤理化因子和微生物群落的垂向空间分带性在不同污染历史和程度下有所差异，形成了场地依赖型的包气带微生态垂向空间分带。石油烃主要集中在包气带表层，其含量随着土壤深度增加而下降，土壤营养元素、含水率等土壤理化因子以及微生物丰度、多样性与活性均受到石油污染的抑制。同时，石油污染加剧了包气带微生物垂向空间异质性，且在受污染的包气带主要由扩散限制决定，而未污染包气带微生物群落聚集的确定性过程更高。此外，通过微宇宙实验模拟硝酸盐污染地下水环境，发现富集培养的异养反硝化微生物群落的功能与聚集机制受到铁离子含量的影响。上述研究为深入了解污染胁迫下包气带至含水层的微生态环境、生物地球化学循环过程及原位生态修复污染防治提供理论基础和新的思路。

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