مدیریت اکوسیستم‌های طبیعی

مدیریت اکوسیستم‌های طبیعی

بررسی ترکیب و تنوع جوامع باکتریایی در خاک‌های پیرامون معادن کرومیت در جنوب استان کرمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد علوم خاک، گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران.
2 استادیار، گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران.
چکیده
آلودگى خاک به فلزات سنگین، به‌عنوان یکى از مهم‌ترین آلاینده‌ها در طبیعت محسوب مى‌شود. فلزات سنگین موجود در خاک نه‌تنها توسط گیاهان جذب و وارد زنجیره غذایى مى‌شوند، بلکه ممکن است با ورود به آب‌هاى سطحى و زیرزمینى، سلامتى موجودات زنده و تنوع زیستی جانداران خاک‌زی را به خطر بی‌اندازند. مطالعه حاضر با هدف بررسی ترکیب و تنوع جوامع باکتریایی در خاک‌های پیرامون معادن کرومیت جنوب استان کرمان انجام شد. شناسایی باکتری‌های مقاوم به کروم با روش مولکولی مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلیمراز و تعیین توالی قطعات ژن 16S rDNA صورت گرفت. طبق نتایج، 15 جدایه باکتری مقاوم به کروم از مناطق مورد مطالعه جداسازی شد. بررسی نتایج تعیین توالی قطعات ژن 16S rDNA نشان داد که این جدایه‌های باکتریایی بیشتر به جنس باسیلوس تعلق داشتند. این جنس از باکتری‌ها به‌دلیل داشتن اسپور در برابر بسیاری از مواد ضد باکتریایی، حرارت، خشکی، یخ‌زدگی، سموم شیمیایی، فلزات سنگین و دیگر فاکتورهای مضر محیطی مقاومت نشان می‌دهند. همچنین با استفاده از آنالیز متاژنوم با روش توالی‌یابی نسل جدید ترکیب جوامع باکتریایی خاک بین دو نمونه غیرمعدنی و معدنی بررسی شد. نتایج توالی‌یابی نسل جدید نشان داد که ترکیب و تنوع جوامع باکتریایی خاک بین دو نمونه غیرمعدنی و معدنی تفاوت معنی‌داری دارد. به‌طوری‌که نتایج نشان داد شاخص تنوع آلفا (براساس تعداد کل واحدهای تاکسونومیک عملیاتی) در نمونه معدنی بیشتر از غیرمعدنی می‌باشد. همچنین تنوع بتا که نمایگر تنوع بین دو نمونه هست به‌وسیله آنالیز تحلیل مختصات اصلی انجام شد که نتایج نشان داد ترکیب جوامع باکتریایی در بین دو نمونه غیرمعدنی و معدنی متفاوت است. از آنجایی که روش توالی‌یابی نسل جدید به‌کار رفته در این پژوهش در مقایسه با سایر روش‌های مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلیمراز، با سرعت و دقت بیشتری به بررسی ژنوم یک نمونه محیطی می‌پردازد و همچنین راحت‌تر و دارای انحراف کمتر می‌باشد، جهت مقایسه ترکیب جوامع باکتریایی خاک بین تیمارهای مختلف پیشنهاد می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of the composition and diversity of bacterial communities in soils surrounding chromite mines in the south of Kerman province

نویسندگان English

Parvin Amiranipour 1
Ghobad Jalali 2
Javad Zamani 2
1 M.Sc. in Soil Science, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, University of Jiroft, Jiroft, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, University of Jiroft, Jiroft, Iran.
چکیده English

Soil contamination with heavy metals considered one of the most important environmental pollutants. Heavy metals present in the soil are not only absorbed by plants and transferred into the food chain, but may also threaten the health of living organisms and reduce soil biodiversity by into surface and groundwater sources. The present study was conducted to investigate the composition and diversity of bacterial communities in soils surrounding chromium mines in the south of Kerman province. Chromium-resistant bacteria were identified using PCR-based molecular methods and sequencing of 16S rDNA gene fragments. Also, using metagenome analysis with next generation sequencing, the composition of soil bacterial communities between two control and mining-impacted samples was investigated. According to the results, 15 strains of chromium-resistant bacteria were isolated from the studied areas. sequencing analysis results showed that these bacterial isolates mostly belonged to Bacillus genera. Also, metagenome analysis showed that the composition and diversity of soil bacterial communities were significantly different between the control and mining-impacted samples. It can be concluded that some bacterial species have adapted to high concentrations of heavy metals in contaminated soils. The majority of examined and chromium-resistant bacteriain this study were Gram-positive bacilli. This group of bacteria exhibits resistant to many antibacterial substances, heat, dryness, freezing, chemical toxins, heavy metals and other harmful environmental factors due to their spores. Since the next-generation sequencing method used in this research examines the genome of an environmental sample with more speed and accuracy by spending an acceptable cost compares to other PCR-based methods, and it is also easier to use and has less deviation, this method is suggested to compare the composition of soil bacterial communities between different treatments.

کلیدواژه‌ها English

Heavy metal contamination
Chromium-resistant bacteria
16S rDNA sequencing
Metagenomic next-generation sequencing
افیونی، م. (1390). راهنمای تعیین حداکثر بار مجاز آلودگی منابع آلاینده قابل تخلیه به منابع خاک. اداره کل محیط زیست استان اصفهان. 522 ص.
شهنیانی، ا.، جعفری ثالث، ع.، باقری‌زاده، ی.، ارزانی‌بیرگانی، پ.، شیرالی، م.، و عبدلی سنجانی، م. (۱۳۹۷). جداسازی و شناسایی باکتری‌های مقاوم به کروم از رودخانه سلطان‌آباد شیراز. هوزان، (2)3، 20–1.
یکتامنش، ه.، دودی، م.، و زرین‌دخت، ا. (1400). جداسازی و شناسایی مولکولی و پاکسازی زیستی باکتری‌های مقاوم به کروم از پساب‌های دباغی و چرم‌سازی خوزستان، ایران. زیست‌شناسی میکروارگانیسم، (38)10، 84-71.
Allison, L. E., and Moodie, C. D. (1965). Carbonate determination by volumetric and back‐titration methods. In C. A. Black (Ed.), Methods of Soil Analysis: Part 2. Chemical and Microbiological Properties (pp. 1379–1396). Madison, WI: American Society of Agronomy.
Basim, Y., Mohebali, G., Jorfi, S., Nabizadeh, R., Aghadiri, M., Moghadam, A., Soleymani, F., and Jaafarzadeh Haghighi Fard, N. (2020). Comparison of performance and efficiency of four methods to extract genomic DNA from oil contaminated soils in southwestern of Iran. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 18(2), 463–468.
Boesenberg-Smith, K. A., Pessarakli, M. M., and Wolk, D. M. (2012). Assessment of DNA yield and purity: an overlooked detail of PCR troubleshooting. Clinical Microbiology Newsletter, 34(1), 1-6.
Bolan, N., Srivastava, P., Rao, C. S., Satyanaraya, P. V., Anderson, G. C., Bolan, S., Nortjé, G. P., Kronenberg, R., Bardhan, S., Abbott, L. K., Zhao, H., Mehra, P., Satyanarayana, S. V., Khan, N., Wang, H., Rinklebe, J., Siddique, K. H. M., and Kirkham, M. B. (2023). Distribution, characteristics and management of calcareous soils. Advances in agronomy, 182, 81-130.
Bouyoucos, G. H. (1951). A Recalibration of the Hydrometer for Making Mechanical Analysis of Soils. Agronomy Journal, 43, 434-438.
Chand, V., and Prasad, S. (2013). ICP-OES assessment of heavy metal contamination in tropical marine sediments: A comparative study of two digestion techniques. Microchemical Journal, 111, 53-61.
Das, P. K., Das, B. P., and Dash, P. (2021). Chromite mining pollution, environmental impact, toxicity and phytoremediation: a review. Environmental Chemistry Letters, 19(2), 1369-1381.
Dashti, A. A., Jadaon, M. M., Abdulsamad, A. M., and Dashti, H. M. (2009). Heat treatment of bacteria: a simple method of DNA extraction for molecular techniques. Kuwait Med J, 41(2), 117-122.
De Almeida Martins, J., and Takahashi, J. (2025). Integration of natural soil amendments enhances microbial resilience and function in heavy-metal-contaminated soils. Journal of Applied Soil Research, 58, 112–124.
Ertani, A., Mietto, A., Borin, M., and Nardi, S. (2017). Chromium in agricultural soils and crops: a review. Water, Air, & Soil Pollution, 228(5), 190.
Fang, L., Cai, P., Chen, W., Liang, W., Hong, Z., and Huang, Q. (2009). Impact of cell wall structure on the behavior of bacterial cells in the binding of copper and cadmium. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 347(1-3), 50-55.
Furtak, K., Grządziel, J., Gałązka, A., and Niedźwiecki, J. (2020). Prevalence of unclassified bacteria in the soil bacterial community from floodplain meadows (fluvisols) under simulated flood conditions revealed by a metataxonomic approachss. Catena, 188, 104448.
Hjelms, M. H., Hansen, L. H., Bælum, J., Feld, L., Holben, W. E., and Jacobsen, C. S. (2014). High-resolution melt analysis for rapid comparison of bacterial community compositions. Applied and environmental microbiology, 80(12), 3568-3575.
Hussain, Q., Pan, G. X., Liu, Y. Z., Zhang, A., Li, L. Q., Zhang, X. H., and Jin, Z. J. (2012). Microbial community dynamics and function associated with rhizosphere over periods of rice growth. Plant Soil Environ, 58(2), 55-61.
Kalsoom, K., Din, S. U., Ceylan, E., Hasan, F., Khan, S., Badshah, M., and Shah, A. A. (2025). Cloning and expression of chromate reductase from Bacillus paramycoides S48 for chromium remediation. Scientific Reports, 15(1), 18796.
Li, D., Zhang, X., Zhang, H., Fan, Q., Guo, B., and Li, J. (2025). A global meta-analysis reveals effects of heavy metals on soil microorganisms. Journal of Hazardous Materials, 491, 138018.
Makhalanyane, T. P., Valverde, A., Birkeland, N. K., Cary, S. C., Marla Tuffin, I., and Cowan, D. A. (2013). Evidence for successional development in Antarctic hypolithic bacterial communities. The ISME journal, 7(11), 2080-2090.
Mounaouer, B., Nesrine, A., and Abdennaceur, H. (2014). Identification and characterization of heavy metal-resistant bacteria selected from different polluted sources. Desalination and Water Treatment, 52(37-39), 7037-7052.
Naz, A., Chowdhury, A., Mishra, B. K., and Karthikeyan, K. (2018). Distribution of heavy metals and associated human health risk in mine, agricultural and roadside soils at the largest chromite mine of India. Environmental geochemistry and health, 40(5), 2155-2175.
Oulas, A., Pavloudi, C., Polymenakou, P., Pavlopoulos, G. A., Papanikolaou, N., Kotoulas, G., Arvanitidis, C., and Iliopoulos, L. (2015). Metagenomics: tools and insights for analyzing next-generation sequencing data derived from biodiversity studies. Bioinformatics and biology insights, 9, BBI-S12462.
Page, A. L. (1982). Methods of soil analysis. Part 2. Chemical and microbiological properties. Soil Science Society of America.
Rintala, A., Pietilä, S., Munukka, E., Eerola, E., Pursiheimo, J. P., Laiho, A., Pekkala, S., and Huovinen, P. (2017). Gut microbiota analysis results are highly dependent on the 16S rRNA gene target region, whereas the impact of DNA extraction is minor. Journal of biomolecular techniques: JBT, 28(1), 19.
Salam, L. B., Obayori, O. S., Ilori, M. O., and Amund, O. O. (2023). Chromium contamination accentuates changes in the microbiome and heavy metal resistome of a tropical agricultural soil. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 39(9), 228.
Seghers, D., Verthé, K., Reheul, D., Bulcke, R., Siciliano, S. D., Verstraete, W., and Top, E. M. (2003). Effect of long-term herbicide applications on the bacterial community structure and function in an agricultural soil. FEMS Microbiology Ecology, 46(2), 139-146.
Sharafi, S., and Salehi, F. (2025). Comprehensive assessment of heavy metal (HMs) contamination and associated health risks in agricultural soils and groundwater proximal to industrial sites. Scientific Reports, 15, 7518.
Soni, R., and Goel, R. (2010). Triphasic approach for assessment of bacterial population in different soil systems. Ekologija, 56(3-4), 99-104.
Suleiman, A. K. A., Pylro, V. S., and Roesch, L. F. W. (2017). Replacement of native vegetation alters the soil microbial structure in the Pampa biome. Scientia Agricola, 74(1), 77-84.
Tuli, S. R., Ali, M. F., Jamal, T. B., Khan, M. A. S., Fatima, N., Ahmed, I., and Sharmin, S. A. (2024). Characterization and molecular insights of a chromium-reducing bacterium Bacillus tropicus. Microorganisms, 12(12), 2633.
Viti, C., Mini, A., Ranalli, G., Lustrato, G., and Giovannetti, L. (2006). Response of microbial communities to different doses of chromate in soil microcosms. Applied Soil Ecology, 34(2–3), p. 125–139.
Walkley, A., and Black, I. A. (1934). An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil science, 37(1), 29-38.
Wang, J. X., Liu, S. S., Han, S. Y., and Wang, A. Y. (2022). High‐throughput sequencing reveals soil bacterial community structure and their interactions with environmental factors of the grassland fairy ring. Environmental Microbiology Reports, 14(4), 479-493.
Wang, Z., Deng, G., Hu, C., Hou, X., Zhang, X., Fan, Z., Zhao, Y., and Peng, M. (2025). Microbial diversity and community assembly in heavy metal-contaminated soils: insights from selenium-impacted mining areas. Frontiers in Microbiology, 16, 1561678.
Xing, Y., Zheng, Y., and Wang, X. (2025). Integrated strategies for effective remediation of chromium-contaminated soils: advancements, challenges, and sustainability implications. Environmental Advances, 100614.
Yao, H., Bowman, D., and Shi, W. (2006). Soil microbial community structure and diversity in a turfgrass chronosequence: land-use change versus turfgrass management. Applied soil ecology, 34(2-3), 209-218.
Zhang, L., Chen, F., Zeng, Z., Xu, M., Sun, F., Yang, L., Bi, X., Lin, Y., Gao, Y., Hao, H., Yi, W., Li, M., and Xie, Y. (2021). Advances in metagenomics and its application in environmental microorganisms. Frontiers in microbiology, 12, 766364.
Zhang, Y., Peng, J., Wang, Z., Zhou, F., Yu, J., Chi, R., and Xiao, C. (2025). Metagenomic analysis revealed the bioremediation mechanism of lead and cadmium contamination by modified biochar synergized with Bacillus cereus PSB-2 in phosphate mining wasteland. Frontiers in Microbiology, 16, 1529784.
Zhao, X., Huang, J., Zhu, X., Chai, J., and Ji, X. (2020). Ecological effects of heavy metal pollution on soil microbial community structure and diversity on both sides of a river around a mining area. International journal of environmental research and public health, 17(16), 5680.
Zhu, S., Mao, H., Yang, X., Zhao, W., Sheng, L., Sun, S., and Du, X. (2025). Resilience mechanisms of rhizosphere microorganisms in lead-zinc tailings: Metagenomic insights into heavy metal resistance. Ecotoxicology and Environmental Safety, 292, 117956.
 

  • تاریخ دریافت 31 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری 29 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 01 مرداد 1404