《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Effects of soil covering on bacterial communities and C/N functional genes during phytoremediation of copper tailings
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本研究针对铜尾矿生态修复中微生物机制不清的问题，通过比较覆盖与未覆盖土壤条件下两种优势植物（白茅与五节芒）根际细菌群落结构及C/N循环功能基因（nifH、amoA、nosZ、pmoA1）的差异，揭示了土壤覆盖通过改变尾矿基质理化性质（如提升OM、SOC、NH4+-N含量）和重金属分布，进而调控微生物群落结构与功能基因表达的关键途径，为矿区生态修复的微生物管理提供了理论依据。
矿产资源的开发在推动社会经济发展的同时，也产生了大量尾矿废弃物。铜尾矿作为典型的矿业固体废物，因其贫瘠的基质结构、极低的有机质和养分含量，以及高浓度的重金属毒性，对周边土壤和水体环境构成严重威胁。长期暴露于铜尾矿污染环境的居民，可能面临头痛、肝硬化、肾功能衰竭乃至癌症等健康风险，尤其对附近儿童的健康影响更为突出。因此，开展铜尾矿的高效、生态友好的修复技术研究迫在眉睫。
物理覆盖结合植物修复是矿区生态恢复的常用策略。然而，以往研究多关注覆盖措施对重金属迁移、养分供应和植物生长的促进作用，而对尾矿基质中微生物群落结构及其驱动的碳、氮等关键生物地球化学循环过程的响应机制尚不明确。为此，发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上的这项研究，以安徽铜陵羊山冲尾矿库为研究区，聚焦于土壤覆盖条件下以白茅（Imperata cylindrica）和五节芒（Miscanthus floridulus）为优势植物的修复系统，深入探究了土壤覆盖如何通过改变环境因子，进而影响细菌群落结构及碳氮功能基因的生态过程。
为了系统回答上述科学问题，研究人员在覆盖区与未覆盖对照区分别设置了白茅和五节芒优势群落样地，于2023年9月进行采样。在每个样点，按0–20 cm、20–40 cm、40–60 cm三个剖面深度采集尾矿土壤样品，共计60份。研究团队综合运用了土壤理化性质分析（测定pH、OM、SOC、TN、TP、NH4+-N、NO3--N及Cu、Mn、Pb、Zn、Cd等重金属含量）、16S rRNA基因高通量测序（分析细菌群落结构）以及实时荧光定量PCR（qPCR）技术（定量氮固定基因nifH、氨氧化基因amoA、反硝化基因nosZ和甲烷氧化基因pmoA1的丰度），并通过方差分解分析（VPA）、非度量多维尺度分析（NMDS）和Spearman相关性分析等统计方法，揭示了环境因子、微生物群落与功能基因之间的复杂关系。
3.1. 铜尾矿土壤化学性质分析
研究结果显示，土壤覆盖显著改变了尾矿基质的理化性质。在白茅修复区，覆盖处理降低了表层土壤pH，使其呈弱酸性；同时，显著提高了各层土壤的有机质（OM）、有机碳（SOC）和铵态氮（NH4+-N）含量，但降低了表层总氮（TN）、总磷（TP）以及部分重金属含量。重金属的垂直分布呈现规律性变化，铜（Cu）、锰（Mn）、镉（Cd）在深层富集，而铅（Pb）和锌（Zn）的分布相对均匀。这表明土壤覆盖不仅改善了基质的营养条件，还影响了重金属的迁移和分布模式。
3.2. 铜尾矿土壤细菌群落结构
细菌群落分析表明，土壤覆盖对微生物多样性产生了植物种类特异性的影响。覆盖处理显著降低了白茅尾矿土壤中细菌的丰富度（Chao1指数）和多样性（Shannon指数），但对五节芒尾矿土壤的影响较小。NMDS分析显示，覆盖处理加剧了不同土层之间细菌群落结构的差异。在门水平上，覆盖处理显著提高了变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）的相对丰度，降低了酸杆菌门（Acidobacteriota）的丰度，并显著富集了异常球菌-栖热菌门（Deinococcota）。在属水平上，覆盖处理下出现了布雷翁氏菌属（Brevundimonas）、酸体属（Acidisoma）和不动杆菌属（Acinetobacter）等新的优势菌属。
3.3. 铜尾矿土壤细菌对覆盖处理的响应
方差分解分析（VPA）表明，土壤化学性质（pH、养分等）对细菌群落变异的解释度远高于重金属。相关性热图分析进一步揭示，在覆盖处理的尾矿土壤中，多数优势细菌属与重金属（Cu、Mn、Cd）呈显著相关；而在未覆盖对照中，优势菌属则更多与pH和土壤养分相关。这表明土壤覆盖增强了重金属对微生物群落的选择压力。
3.4. 土壤碳氮功能基因丰度及其环境驱动因子
功能基因定量结果显示，土壤覆盖普遍降低了白茅修复系统中氮固定基因（nifH）、氨氧化基因（amoA）、反硝化基因（nosZ）和甲烷氧化基因（pmoA1）的绝对丰度。在五节芒修复系统中，覆盖主要降低了表层土壤中amoA和pmoA1的丰度。相关性分析表明，覆盖处理改变了功能基因与环境因子的关联模式，增强了nifH、amoA、nosZ等基因与Cu、Cd等重金属的正相关性。此外，覆盖处理下，nosZ基因与硫杆菌属（Sulfurifustis）等菌属呈显著正相关，暗示了硫氧化与反硝化过程的潜在耦合。
综合讨论部分指出，土壤覆盖作为一种物理-生物联合修复措施，通过引入外源有机质和改变基质环境，深刻影响了铜尾矿修复过程中的微生物生态学过程。它一方面通过改善基质条件促进了植物生长，另一方面通过调节重金属的有效性和分布，驱动了微生物群落结构的演替和功能基因表达的变化。覆盖处理下，细菌群落对深度梯度和植物种类的响应更为敏感，碳氮循环功能基因的丰度及其与环境因子的关系也发生了重构。例如，氨氧化和甲烷氧化基因丰度的降低可能与覆盖层造成的氧障蔽以及外源有机碳输入改变了微生物的营养竞争格局有关。
本研究的重要意义在于，首次系统阐明了土壤覆盖在铜尾矿植物修复过程中对微生物群落结构和碳氮循环功能基因的多层次调控作用。研究结果不仅揭示了覆盖措施通过改变尾矿基质的理化性质和重金属分布来塑造细菌群落及其功能的内在机制，而且为优化矿区尾库的生态修复策略、特别是通过调控土壤微生物来增强修复效果提供了重要的科学依据和实践指导。未来，可以结合特定功能微生物的接种或有机改良剂（如生物炭）的施用，进一步强化植物-微生物联合修复体系在重金属污染场地中的应用潜力。
