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硒镉高背景区蚯蚓对镉胁迫的适应性研究 摘要 国内天然富硒区普遍存在重金属背景值过高的问题，对富硒资源的安全利用 和人类健康构成严重威胁。蚯蚓是土壤生态系统的“工程师”，在重金属污染土 壤的修复与效果评价等方面具有重要作用，但是蚯蚓适应重金属胁迫的机理尚不 完全清楚。本研究以典型硒镉高背景区一石台县大山村为研究区域，以当地土壤 和土著蚯蚓为研究对象，分析了蚯蚓对镉的耐受水平，研究了蚯蚓对硒镉的富集 特征，借助高通量测序技术分析了土壤和蚯蚓肠道细菌群落的差异，利用 TEM．EDS等方法揭示了耐镉肠道细菌对镉的吸附和钝化作用，利用转录组学方 法揭示了耐镉肠道细菌响应镉胁迫的潜在分子机制，取得的主要研究结果和结论 如下： 1．镉对土著蚯蚓和模式蚯蚓的半数致死浓度(LC50)分别为551．3和481．8 再降低的“抛物线”型剂量效应关系，土著蚯蚓抗氧化酶活性变化小于模式蚯蚓。 体壁超微结构结果显示，相同胁迫水平下，模式蚯蚓的受损程度高于土著蚯蚓。 半数致死浓度、抗氧化酶活性和体壁超微结构变化表明，土著蚯蚓对镉的耐受能 力高于模式蚯蚓。 2．土壤总硒范围为0．61～2．88 mg／kg，总镉范围为0．92～2．16mg／kg，是典型 的硒镉高背景区。硒、镉总量均表现为肠道内容物蚯蚓残体土壤，而镉有效 性刚好相反，蚯蚓可能通过降低肠道中镉的有效性提高对镉的耐受性。 3．蚯蚓肠道中厚壁菌门、放线菌门和浮霉菌门的相对丰度显著高于土壤，而 酸杆菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门相对丰度显著低于土壤。蚯蚓肠道细菌丰富度 和多样性显著低于土壤，土壤和蚯蚓肠道细菌群落结构具有显著差异。影响土壤 细菌群落组成的主要环境因子是有机质和有效硒。 4．蚯蚓肠道中耐镉能力最高的是弗氏柠檬酸杆菌(DS菌株)，其耐镉浓度 分别达6mmol／L(液体)和10 mmol／L(固体)；DS功株可提高培养液的pH 和NH4+，对镉的去除率达到50％以上。DS菌株对镉的去除包括胞外吸附和胞内 吸收两种方式。 5．低镉处理下，差异表达基因的功能分类主要涉及生物过程和分子功能； 高镉处理下，差异表达基因主要集中于分子功能，尤其对与酶活性相关的基因影 响较大。KEGG富集分析显示，在低镉处理时，差异基因仅显著富集与细菌趋化 相关的细胞途径；高镉处理时，差异基因显著富集于代谢途径，尤其是各种氨基 酸的代谢。 关键词：硒镉高背景区；蚯蚓；细菌群落；耐镉细菌 II 第一章绪论 1研究背景 1．1硒地质高背景区重金属污染状况 硒(Selenium，Se)是人与动物必不可少的微量元素之一，具有抗氧化、抗 et a1．， 癌、增强机体免疫力、延缓衰老等多种生理功能(Rayman．，2000；Mousa 2017)。硒是合成多种抗氧化酶的重要元素，能够减少自由基，保护机体免受氧 et 化损伤(BarceloPoschenricder．，2011；Kaura1．，2014)。同时，有研究报道纳 et et 米硒在体外实验中可直接清除自由基(Chena1．，2015；Zhaia1．，2017)。硒的 防癌机制主要在于其强大的抗氧化能力以及在DNA修复、细胞凋亡、内分泌系 淋巴细胞等免疫细胞中，刺激机体产生抗体，从而提升吞噬细胞的存活率与吞噬 率，促进淋巴细胞增殖，增强机体的免疫应答能力。同时，硒元素在调节机体甲 et 状腺代谢、保护心血管等方面也发挥着重要作用(Gabela1．，2006)。硒元素的 摄入不足或摄入过量都会对人体健康造成危害。硒缺乏会导致人畜患多种疾病， 例如克山病(Keshandisease)、大骨节病(Kashbeck