本研究由Chen Hong、Yanxiao Si、Yi Xing和Yang Li共同完成，研究团队分别来自北京科技大学土木与环境工程学院、中国科学院生态环境研究中心和清华大学。该研究于2015年3月12日发表在《Environmental Science and Pollution Research》期刊上，题为“Illumina MiSeq Sequencing Investigation on the Contrasting Soil Bacterial Community Structures in Different Iron Mining Areas”。

学术背景

本研究属于环境微生物学领域，主要探讨了铁矿山活动对周边土壤微生物群落结构的影响。矿山活动常常导致重金属泄漏，进而影响土壤中的土著微生物群落。尽管已有大量研究关注非铁金属矿山（如铜、铅、锑等）对土壤微生物的影响，但关于铁矿山的研究却相对较少。铁矿山活动虽然重金属含量较低，但其污染范围广、影响较为隐蔽，因此研究铁矿山对土壤微生物群落的影响具有重要意义。本研究的目的是通过Illumina MiSeq测序技术，比较北京潮河流域内三个不同污染程度区域（重度污染、中度污染和无污染）土壤中细菌群落的多样性和组成，揭示重金属污染对土壤微生物群落结构的影响机制。

研究流程

本研究主要包括以下几个步骤：
1. 土壤采样与重金属测定：
研究区域为北京密云县安子沟铁矿山，采样点分为三个区域：H区（重度污染，包括矿石处理厂、矿石开采区和尾矿坝）、M区（中度污染，位于尾矿坝下游1公里的X村的农田、人工林和菜地）和C区（无污染，位于尾矿坝下游5公里的Y村的农田、人工林和菜地）。每个区域采集三个样本，每个样本重复三次。土壤样本在实验室中进行处理，测定pH值、水分含量、有机质、有效磷、铵态氮、硝态氮等理化性质，并通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定重金属（Cd、Cr、Cu、Zn、Fe等）含量。

1. DNA提取与PCR扩增：
   使用Power Soil DNA Kit从0.5克土壤样本中提取微生物DNA，通过PCR扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4区域。引物为338F和806R，每个样本的PCR反应重复三次。

2. Illumina MiSeq测序：
   扩增产物经纯化后，在Illumina MiSeq平台上进行双端测序（2×300 bp）。测序数据经过质量过滤、去冗余和嵌合体去除后，使用UPARSE软件以97%的相似度阈值进行OTU（操作分类单元）聚类。

3. 数据分析：
   使用QIIME软件对测序数据进行处理，计算Chao、ACE和Shannon多样性指数，并通过主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）等方法比较不同污染区域的微生物群落结构差异。此外，还使用Matastats软件分析不同污染水平下细菌属的相对丰度变化。

主要结果

1. 土壤重金属污染背景：
   研究结果显示，H区的重金属污染最为严重，尤其是Cd和Cr的含量分别达到0.708 mg/kg和298.33 mg/kg，远高于中国国家背景值。M区的中度污染区域也显示出较高的重金属含量，而C区的无污染区域重金属含量较低。

2. 微生物群落多样性：
   Illumina MiSeq测序共获得110,409条序列和10,444个OTU。污染区域（H区和M区）的细菌α多样性显著高于无污染区域（C区）。Shannon多样性指数显示，H区和M区的多样性分别为6.15和6.11，而C区为5.57。

3. 微生物群落组成：
   研究共鉴定出35个细菌门、251个科和381个属。其中，变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）是主要优势菌群，占所有样本总序列的85%以上。

4. 属水平上的变化：
   在属水平上，污染区域的细菌群落结构与无污染区域存在显著差异。随着污染程度的增加，Bradyrhizobium、Rhodanobacter、Reyranella和Rhizomicrobium等属的相对丰度显著下降，而Steroidobacter、Massilia、Arthrobacter、Flavisolibacter和Roseiflexus等属的相对丰度显著上升，成为重度污染区域的新优势属。

5. 潜在抗性细菌：
   研究还发现了一些潜在的重金属抗性细菌，如Thiobacillus、Pseudomonas、Arthrobacter、Microcoleus、Leptolyngbya和Rhodobacter等属。这些细菌在土著微生物群落中的比例较低（%），但在污染土壤中可能发挥重要作用。

结论

本研究通过高通量Illumina MiSeq测序技术，详细揭示了铁矿山活动对土壤细菌群落结构的影响。研究发现，污染区域的细菌多样性显著高于无污染区域，且在属水平上出现了明显的群落结构变化。此外，研究还鉴定了一些潜在的重金属抗性细菌，为土壤生态修复提供了新的研究方向。

研究亮点

1. 创新性方法：本研究首次使用Illumina MiSeq测序技术系统分析了铁矿山活动对土壤微生物群落的影响，为类似研究提供了新的技术手段。
   
2. 重要发现：研究揭示了重金属污染对土壤细菌群落结构的显著影响，并鉴定了一些潜在的重金属抗性细菌，为土壤生态修复提供了重要参考。
   
3. 研究价值：本研究不仅为理解重金属污染对土壤微生物的影响机制提供了科学依据，还为铁矿山周边土壤的生态修复提供了潜在的技术支持。
   

其他有价值的内容

研究还指出，尽管铁矿山活动的重金属污染相对较轻，但其对土壤微生物群落的影响不容忽视。未来的研究可以进一步探讨这些潜在抗性细菌在土壤修复中的应用价值，并评估其在重金属污染环境中的生态功能。