钒作为一种重要的战略金属，广泛应用于钢铁制造、航空航天、新能源等领域。随着需求的不断增加，钒在环境中的持续释放和积累对生态系统带来了深远影响。以往对钒矿区的研究表明，钒污染的加剧可以改变微生物群落多样性，而微生物能够通过复杂的代谢活动适应并转化钒，进而缓解钒的负面效应。然而，仅基于场地尺度解读微生物对钒胁迫的响应具有空间局限性，更广泛的地理尺度上，复杂的变量，包括环境、气候和地理因素，可能直接或间接地驱动群落的组装与分布。此外，虽然大量反应器研究掲示了微生物在钒还原中的作用，但对微生物功能基因在典型钒污染场地的分布尚缺乏认知。

针对上述问题，我校水资源与环境学院博士生张瀚，在张宝刚教授等的联合指导下，从全国90个钒冶炼场地采集了土壤样本，全面评估影响钒矿区土壤微生物群落多样性的关键因素，阐明群落的组装模式与种间互动规律，借助宏基因组学研究工具鉴别了群落中关键菌属的功能潜力，进而掲示了微生物群落在钒胁迫下的响应机制与独特的适应策略，取得的发现如下：

（1）钒浓度的增加导致微生物群落Alpha多样性降低，钒浓度的变化驱动微生物群落结构的演变（图1）。此外，微生物群落也受到环境指标、地理、气候因素共同协作的影响。

（2）在钒浓度较高的环境中，微生物群落的组装模式逐渐由随机过程向确定性过程转变（图2）。钒污染导致的环境筛选效应增强了群落内的正向协同关系，尤其是在高钒浓度下，具有钒耐受性的核心菌属在群落共现网络中起到了重要作用（图3），维持了群落的稳定性。

（3）关键菌属如f_Gemmatimonadaceae、Nocardioides和Rubrobacter在高钒水平条件下扮演关键角色。这些菌属中富集的功能基因（如mtrABC和nirK）可能在钒还原过程中发挥重要作用（图4），帮助微生物群落抵御高浓度钒污染的毒性效应。此外，固碳循环rTCA的丰度也在高钒污染区域显著增强，为微生物提供了额外的能量支持，促进钒还原菌在极端环境下的运作。

图1 钒浓度分布与微生物群落多样性的关联

图2 钒浓度分布驱动下的微生物群落组装过程

图3 共现性网络分析与关键菌属的种间连接度分布

图4 宏基因组重组基因系统发育树与关键菌属携带的功能基因

上述研究成果发表在国际地球科学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》上。中国地质大学（北京）博士生张瀚为论文第一作者，张宝刚教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目的支持。Zhang, H., Jiao, S., Xing, Y., Jiang, B.,Zhou, S., & Zhang, B. (2024). Unveiling soil microbiome adaptation and survival strategy under vanadium stress in nationwide mining environments. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 129, e2023JG007655. [IF2023 = 3.7]

全文链接：https://doi.org/10.1029/2023JG007655