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研究背景

镉 (Cd)，尤其是一种非必需的有毒金属，在 20 种强毒素中排名第 7，由于其人类暴露的高风险和在土壤中的长时间滞留，成为最受关注的优先污染物之一（EST｜广东生态环境与土壤研究所李芳柏团队发现水分管理改变土壤-水稻系统中芽和节/叶之间的镉同位素分馏！）。与物理和生物修复策略（例如，土壤混合、电动、植物修复和微生物修复）相比，原位化学稳定由于其在降低 Cd 毒性方面的效率和低成本而被广泛用于修复 Cd 污染的土壤和生物利用度。有机改良剂（如生物炭、堆肥和秸秆）通过形成稳定的有机配体-金属络合物来稳定土壤中的 Cd 和其他金属。石灰材料（如石灰石和氢氧化钙）可以通过增加土壤 pH 值和土壤胶体和有机物质的负电荷吸附位点来有效地稳定土壤中的大多数金属。粘土材料（如海泡石和沸石）在 Cd 稳定中的应用主要基于它们的高表面积和优异的离子交换能力。在各种 Cd 稳定剂中，石灰石（主要是 CaCO₃）、生物炭和农作物秸秆在先前的研究中被高度推荐，因为它们对土壤恢复具有多重作用，包括降低 Cd 生物有效性、缓解土壤酸化和增强土壤生态功能。

土壤中的多种微生物在同时维持多种生态系统功能方面发挥着关键作用。丰富和稀有微生物物种对环境干扰的反应并不总是一致的。丰富的物种通常占据更广泛的生态位，可以利用更多类型的资源，这使它们比稀有物种更能适应环境变化，然而，研究也报道了相互矛盾的结果，表明稀有类群的多样性和群落组成在遭受气候变化和其他干扰，如铜胁迫、热休克、冻融和机械干扰时更加稳定。此外，在许多生态系统中发现了丰富和稀有群落的不同组装过程，这可能是由于它们对环境变化的不同反应。在原位化学稳定过程中，稳定剂的应用会导致土壤性质发生多种变化，包括金属形态、土壤 pH 值和有效养分。这些变化可能因此改变微生物群落中丰富和稀有物种的组装和分布模式，导致生态系统多功能性的未知结果。鉴于丰富和稀有物种可能对功能属性产生不同的影响，区分丰富和稀有类群在恢复 Cd 污染土壤生态系统多功能性中的作用很重要，但在很大程度上仍未得到探索。

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研究进展

2021年10月12日，学术期刊mSystems发表相关研究成果，题名：Distinct Responses of Rare and Abundant Microbial Taxa to In Situ Chemical Stabilization of Cadmium-Contaminated Soil，华中农业大学农业微生物学国家重点实验郝秀丽为论文通讯作者！

我们假设稀有群落可能比丰富群落对土壤修复引起的 Cd 生物有效性和土壤性质的变化更敏感，并且稀有类群的恢复可能在土壤生态系统多功能性的恢复中发挥重要作用。为了验证我们的假设，我们进行了一项为期 3 年的田间试验，应用了五种土壤改良剂（CaCO3以及生物炭和稻草，单独使用或与 CaCO3 结合使用）。土壤修复对微生物丰富和稀有群落的组成变化、生态位宽度和组装过程的影响被表征为揭示微生物反应和修正诱导对生态系统多功能性影响的机制。特别是，我们旨在 (i) 比较细菌和真菌群落的丰富和稀有分类群对不同土壤改良剂的响应，(ii) 评估它们对土壤生态系统多功能性的贡献，以及 (iii) 确定丰富和稀有群落的关键物种，在不同的稳定处理中与土壤生态系统的多功能性有关。

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研究结果

与丰富的群落相比，稀有细菌群落对土壤 pH 值和 Cd 物种形成的生态位宽度更窄，并且对不同土壤改良剂改变的环境变化更敏感。然而，土壤改良剂对稀有和丰富的真菌群落具有类似的影响。稀有和丰富细菌群落的组装分别受可变选择和随机过程（扩散限制和非支配过程）的支配，而稀有和丰富真菌群落的组装则受扩散限制控制。土壤改良剂引起的土壤 pH、Cd 形态和土壤有机质 (SOM) 的变化可能在稀有细菌类群的群落组装中发挥重要作用。此外，通过不同修正恢复的生态系统多功能性与特定关键物种的恢复密切相关，特别是稀有细菌类群（Gemmatimonadaceae和 Haliangiaceae）和稀有真菌类群（Ascomycota）。

图1. 生态系统多功能性及其影响因素

图2. 土壤改良剂对稀有和丰富类群微生物群落组成的变化

图3. 微生物稀有和丰富群落的组装过程

图4. Keystone OTU 及其与环境变量和生态系统多功能性的关系

详细实验结果与讨论，推荐阅读原文(见文末) ！

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往期精彩回顾

1. EST｜中国地质大学（武汉）基于沿海承压含水层系统中高地质成因铵环境提出溶解有机物处理途径的新见解！

2. EST｜同济大学环境科学与工程学院综合宏基因组学和宏蛋白质组学揭示氨对产甲烷菌和合成菌的毒性、酶合成以及厌氧消化关键酶的影响！

3. Microbiome｜劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究揭示北极泥炭土活跃的病毒-宿主相互作用关系！

4. Microbiome｜中国海洋大学研究揭示极地海洋二甲基硫醚和二甲基磺基丙酸循环的生物地理特征！

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