蚯蚓对多数污染物比其他土壤动物敏感,可作为一种早期预警生物,用来研究和评价土壤污染状况及土壤环境质量。重金属污染的高度隐蔽、不可逆,以及长期、易积累性致使土壤生态系统受到不同程度影响。本研究以赤子爱胜蚓为受试生物,观测了镉胁迫下蚯蚓的中毒症状、行为以及生长抑制率等,测定了蚯蚓体内的氧化应激指标,分析不同胁迫时间和胁迫浓度后的氧化应激响应效应,同时,研究了镉胁迫对蚯蚓头部组织和尾部组织中氨基酸代谢的影响,以及镉胁迫后的蚯蚓体内和土壤中微生物群落的碳源利用变化,并结合氧化应激效应,探明了镉胁迫后的蚯蚓对自身生理机能的驱动机制。同时,借助于宏基因测序,分析了蚯蚓体内微生物群落和土壤微生物群落间的调控机制,揭示镉胁迫下蚯蚓生物体的解毒机制,为镉污染土壤的生态安全风险评价和今后开展受污染土壤的生物修复提供科学依据。具体研究结果如下:(1)蚯蚓对镉胁迫较为敏感,其中毒反应呈现明显的剂量-时间关系。随着镉浓度的增加,蚯蚓受到的毒害程度呈现整体增大,但局部有小幅度降低,当镉的毒害力超过蚯蚓的解毒力时,蚯蚓出现死亡。(2)人工土壤短期试验中,在蚯蚓的尾部组织中能够作为预警指示物、能够灵敏反应机体内氧化应激的主要指标有:CAT、TP、SOD和POD,头部组织中为TP、CAT和POD;长期试验中,尾部组织中的主要指标为GPX和MDA,头部组织中为GPX。自然土壤胁迫试验组的蚯蚓尾部组织中,能够灵敏有效指示其受到重金属镉胁迫的毒性大小的指标有:CAT、TP和MDA;头部组织中则为POD。(3)将改进的因子分析法、主成分分析法与传统生物统计学相结合,以及层次分析法和因子分析法相结合构建了生物标志物筛选模型,利用构建的模型可快速、有效并直观的筛选重金属胁迫下蚯蚓体内主要的氧化应激效应指标,解决了生物标志物的科学筛选和对生态系统污染的准确性和科学性评价。(4)镉胁迫改变了蚯蚓体内的代谢途径,使得氨基酸组分发生变化,同时,也影响了土壤和蚯蚓体内的微生物群落功能多样性,且随着胁迫时间的延长和胁迫浓度增加,蚯蚓会调整自身生理机能(包括体内微生物群落结和自身代谢机制),同时调控外界环境中微生物群落结构以获取生长所需的物质。本研究表明,蚯蚓头部组织中的天冬氨酸、谷氨酸、胱氨酸、蛋氨酸和组氨酸以及尾部组织中的胱氨酸和苯丙氨酸维持蚯蚓生理代谢,是用以抵御镉胁迫的重要氨基酸组分。碳源2-羟基苯甲酸、γ-羟丁酸、甘氨酰-L-谷氨酸、α-丁酮酸、苏氨酸和α-环式糊精是镉胁迫下蚯蚓维持自身正常生理代谢的重要碳源。(5)通过对镉胁迫后的蚯蚓体内的生理机能变化进行通径分析,揭示了镉胁迫下蚯蚓对自身氧化应激效应和微生物群落功能多样性的驱动过程:50 mg/kg镉胁迫下,蚯蚓体内的AChE可调控微生物群落中分布均匀的非优势种群。100-125 mg/kg镉胁迫下,MDA与微生物群落中的优势种群关系密切,且该种群微生物主要利用碳源D-半乳糖醛酸。250 mg/kg镉胁迫下,蚯蚓体内的微生物群落主要利用甘氨酰-L-谷氨酸合成谷氨酸,供给蚯蚓的脏器用以合成GSH。在高浓度(500 mg/kg)镉胁迫下,蚯蚓体内氧化应激效应主要用于维持自身基本的生理代谢;原生的微生物群落彻底退化,出现耐受重金属镉的先锋种,且该先锋种与GPX和CAT关系密切,主要碳源为甘氨酰-L-谷氨酸。同时,研究发现,在短期胁迫过程中,氧化应激效应比微生物群落对镉胁迫更加的敏感并有效,且氧化应激效应调控蚯蚓体内微生物群落功能多样性,而在长期镉胁迫下,微生物群落功能多样性的变化可能还受到其他因素的调控。(6)将典型相关思想融入TOPSIS法,建立了全新的数学模型,经由不同种类碳源的利用强度分析微生物群落在不同培养期后的变化,寻找敏感的时间节点和浓度节点,确定镉胁迫下的蚯蚓体内微生物群落和土壤中微生物群落间的调控关系,探明微生物随胁迫时间的演替过程。结果发现:短期胁迫试验中,镉胁迫下蚯蚓体内和土壤微生物群落间的调控过程可划分为5个阶段:胁迫1-3天,土壤中微生物群落受蚯蚓体内微生物群落调控;第4天,土壤中微生物群落仍受到镉胁迫的影响;在受镉胁迫5天,蚯蚓体内微生物与土壤中微生物处于稳定期向衰亡期过渡阶段,但在胁迫6-7天,蚯蚓体内微生物群落呈现优势态,形成了对土壤中微生物的主动调控,同时耐受镉的微生物开始出现并增殖;在短期胁迫后期(8-10天),蚯蚓体内的优势微生物对土壤微生物的调控作用减弱,而土壤微生物群落中的耐镉种群则在这一阶段逐渐进化,适应随时间逐渐增强的镉胁迫。长期胁迫试验表明,土壤微生物群落和蚯蚓体内微生物群落间差异增大,两者之间几乎不存在调控关系。(7)借助于第二代宏基因测序技术,对100 mg/kg镉短期胁迫下的蚯蚓体内和土壤中微生物进行功能基因分析。结果发现,在镉胁迫下的蚯蚓解毒机制中,HBA基因、NEUROD1基因和ABCA3基因为蚯蚓体内微生物群落的调控基因;TC.FEV.OM基因和cheBR基因则为土壤中微生物群落的主要调控基因。同时,研究证实第五调控阶段出现的耐镉微生物为马赛菌属中未命名的新物种。