基于实时荧光定量PCR技术的油气微生物勘探样品保存研究

针对一个油气藏和两个非油气藏上方的土壤剖面,围绕典型油气指示微生物甲烷氧化细菌,采用分子生态学技术比较了新鲜、自然风干和冷冻干燥3种处理下土壤中甲烷氧化细菌标靶基因pmoA的变化规律,研究了自然风干土壤能否用于油气资源微生物勘探.与新鲜土壤相比,自然风干和冷冻干燥显著降低了不同土壤剖面微生物总DNA含量,甲烷氧化细菌pmoA基因数量最多分别下降了90.7％和77.5％;然而,与非油气藏上方土壤剖面相比,自然风干和冷冻干燥处理后,油气藏上方不同土壤剖面依然检测到了大量的甲烷氧化细菌pmoA基因.本研究中,自然风干或冷冻干燥处理后的土壤适合于油气微生物勘探.     

不同酸碱性紫色土的硝化活性及微生物群落组成

为研究紫色土中的硝化作用、总微生物和硝化微生物的群落结构,以重庆永川的酸性紫色土(p H=5.3)和中性紫色土(p H=7.2)以及四川盐亭的石灰性紫色土(p H=8.5)为研究对象,采用稳定性同位素标记技术进行培养实验,并通过Miseq测序对三种紫色土微生物群落结构进行分析。每种土样共设有三种处理,包括~(13)CO_2标记处理、~(12)CO_2对照处理和~(13)CO_2+C_2H_2对照处理。结果表明,中性紫色土(p H=7.2)和石灰性紫色土(p H=8.5)经过56 d的培养后发生了强烈的硝化作用,而酸性紫色土(p H=5.3)中未发生明显的硝化作用,并且硝化作用类型都以自养硝化为主。三种紫色土中都存在着变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes),其中变形菌门在三种紫色土中都大约占有20%的比例。中性紫色土和石灰性紫色土各处理中硝化螺旋菌门(Nitrospirae)百分比大于酸性紫色土各处理。三种紫色土各处理中的氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)主要以亚硝化螺菌属(Nitrosospira)为主,亚硝酸氧化细菌(Nitrite-oxidizing bacteria,NOB)主要以硝化螺菌属(Nitrospira)为主。且NOB/AOB的值在三种紫色土各处理中最高可达到13,这意味着全程氨氧化细菌(Comammox)可能在紫色土的硝化作用中占据重要贡献。     

中国典型生态系统土壤硝化强度的整合分析

针对国内外1959年至2013年间发表的2 900篇中国土壤硝化相关论文,获得288组中国土壤硝化强度数据,涉及26个省份,初步构建了开放式的中国土壤硝化信息系统。进一步利用整合分析,评估了土壤理化性质与土壤硝化强度的可能联系。结果表明:不同生态系统之间硝化速率由大到小依次为:农田(NO-3-N 1.39±0.27 mg kg-1d-1)、草地(0.74±0.17)、森林(0.66±0.16)、沙漠(0.17±0.08)、湿地(0.06±0.04)。在统计显著性的前提下,硝化强度与环境因子之间表现出一定的相关性趋势:即硝化强度与p H、有效磷、硝态氮正相关,与有机碳、速效氮和碳氮比负相关。在较大时空尺度下,生态系统类型是土壤硝化过程地理分异规律的最优解释因子,可能在硝化微生物形成与演替过程中发挥了重要作用。     

增温条件下施硅对稻田CH4厌氧氧化过程的影响

硅是水稻生长的有益元素,为研究施硅对稻田CH₄厌氧氧化过程的影响以及是否会改变夜间增温对该过程的影响效应,本试验设置夜间常温不施硅（CK）、夜间增温不施硅（NW）、夜间常温施硅（Si）和夜间增温施硅（NW+Si） 4个处理。采集上述田间处理4 a后的耕层土壤,采用¹³CH₄同位素标记法研究稻田土壤CH₄厌氧氧化速率和固碳特征及其对氮输入的响应。结果表明：NW处理的CH₄厌氧氧化速率为6.23 nmol·g^-1·d^-1（以¹³CO₂计）,显著低于CK处理;与NW处理相比,NW+Si处理的CH₄厌氧氧化速率提高了22%。NW处理土壤中CH₄氧化驱动的¹³C有机碳净增量（¹³C-SOC）为0.31 μmol·g^-1,与NW+Si无明显差异,这表明增温条件下施硅对稻田土壤CH₄厌氧氧化的固碳量无明显影响。添加N条件下4个稻田土壤的CH₄厌氧氧化速率总体上明显减小,其中以Si处理土壤最为突出,下降29%~50%。相反,N添加提高了CH₄厌氧氧化的固碳效率[¹³C-SOC/（¹³C-SOC+¹³CO₂）]。研究表明,施硅可缓解夜间增温对稻田CH₄氧化速率的抑制作用,但对其固碳量无明显影响;外源N可提高增温/施硅稻田土壤CH₄厌氧氧化的固碳效率,有利于将较高比例的¹³C-CH₄碳源固定到土壤有机碳中。     

中国土壤微生物组数据平台的构建与实现

近年来,高通量测序等新技术的快速发展,为大规模、快速、准确、全面认识土壤微生物多样性提供了技术保障。国际上已经建成了一些具有影响力的土壤微生物组数据管理及分析平台,但大多数已有平台聚焦于提供数据存储、管理、访问、注释等基础性服务,难以满足土壤微生物研究需求。借助空间数据库技术、网络地理信息系统(WebGIS)技术,设计并构建了包含土壤及微生物数据集成、数据可视化、知识发现和区域空间制图等功能的中国土壤微生物组数据平台,该平台将进一步推动我国土壤微生物组数据的标准化整合,并为整合数据的充分挖掘利用提供支撑。     

2015年诺贝尔生理学或医学奖的启示——土壤微生物分离培养推动了寄生虫病防治

1974年日本科学家大村智从土壤中分离到一株链霉菌,并与美国默克(Merck)公司合作,发现了阿维菌素,在治疗盘尾丝虫症(河盲症)和淋巴丝虫病(象皮病)方面取得了重大突破,成为2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一,表明纯菌株的分离和培养具有极为重要的意义,应在未来土壤微生物研究中得到更多的重视.     

夜间增温下施硅对稻田CH4好氧氧化及其氮响应的影响

【目的】研究硅肥对增温稻田甲烷（CH₄）好氧氧化速率的影响效应,为探索未来全球变暖背景下稻田温室气体减排措施提供科学依据。【方法】采用田间开放式增温系统对稻田土壤进行夜间增温,共设4个处理:夜间常温不施硅 （CK）、夜间增温不施硅 （NW）、夜间常温施硅 （Si）和夜间增温施硅 （NW+Si）。采集上述处理4年后的耕层根际土和非根际土,在无氮添加和氮添加（NH4+、 NO3-和尿素）条件下进行室内培养,采用13CH₄标记方法,研究稻田CH₄好氧氧化速率和固碳特征及其对氮肥的响应。【结果】 Si处理稻田土壤的总有机碳和水溶性有机碳含量分别为23.2 g/kg和216.7 mg/kg,较CK稻田提高10.5%和26.7%;而NW处理的总有机碳和水溶性有机碳则分别较CK稻田降低11.9%和9.9%。施硅处理 （Si和NW+Si）根际土的CH₄好氧氧化速率显著高于不施硅处理 （CK和NW）（P<0.05）,其中Si处理的氧化速率最高,为10.9 μg/ （g·d）,较NW处理提高45.3%。施硅处理 （Si和NW+Si）非根际土壤中CH₄氧化驱动的13C有机碳 （ 13C-SOC）净增量为12.5~13.2 μmol/g,固碳效率达61%~66%,均高于不施硅处理 （CK和NW）。添加氮条件下4个处理的CH₄氧化速率总体上大幅增加,其中以NW+Si处理的非根际土最明显。相反,氮添加对稻田的13C-SOC净增量无明显影响,从而降低了稻田土壤CH₄氧化驱动的固碳效率。【结论】施硅可缓解夜间增温对稻田CH₄氧化过程的抑制作用,同时也提高其固碳效率。     

不同水分条件下格陵兰岛冻土活性甲烷氧化菌群落分异规律

揭全球气候变化导致丹麦格陵兰岛形成了旱地和间歇淹水的土壤景观,采用稳定性同位素核酸探针技术和高通量测序16S r RNA及pmoA基因的分析方法,开展了格陵兰岛旱地和间歇淹水土壤微宇宙培养试验,探究不同水分条件下冻土的甲烷氧化潜力及活性好氧甲烷氧化菌群落演替规律。结果表明:与旱地土壤相比,淹水土壤氧化高浓度甲烷的速率呈现降低趋势,分别为12.38和12.17μg/(g·d),但后者对甲烷碳同化利用效率显著高于前者,土壤~(13)C-有机碳原子百分比从自然丰度1.08%,分别增加至1.64%和1.99%。超高速密度梯度离心分析~(13)C-DNA发现甲烷氧化菌群落发生演替,旱地土壤中Crenothrix甲烷氧化菌16S rRNA基因丰度仅为0.04%,而在间歇淹水土壤中为23.78%,增幅高达557倍;类型Ⅱ甲烷氧化菌Methylosinus则从33.76%增至44.38%。然而,类型Ⅰ甲烷氧化菌Methylocaldum的丰度明显降低,从旱地土壤10.15%显著降低为间歇淹水0.14%;进一步通过pmo A基因高通量测序分析,也得到了类似的结果,特别是类型Ⅰ甲烷氧化菌RPCs从旱地土壤15.61%显著降低至间歇淹水土壤的0.13%。这些结果表明:尽管格陵兰冻土中经典的类型Ⅱ甲烷氧化菌主导了旱地土壤和间歇性淹水土壤好氧甲烷氧化过程,但水分可能是甲烷氧化菌群落演替的重要环境驱动力,水分增加导致活性的类型Ⅰ种群丰度降低,同时显著刺激了新型甲烷氧化菌Crenothrix的大量生长并可能在间歇淹水土壤中发挥了重要作用。     

水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO2浓度升高的适应规律

CH4是仅次于CO2的第二大温室气体,而稻田是CH4的主要排放源,但未来大气CO2浓度升高情景下（elevated CO2, eCO2）,水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。本研究依托中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）水稻田试验平台,通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验,采用稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）和高通量测序技术,研究了未来大气CO2浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。研究结果表明：与常规大气CO2浓度（ambient CO2, aCO2）相比,eCO2条件下的甲烷氧化活性显著增加,从243 nmol g-1 d.w.s h-1增加至302 mol g-1 d.w.s h-1,增幅高达24.3%,甲烷氧化菌数量则增加了1.1~1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA,高通量测序发现,未来大气CO2升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替,与对照相比,类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2%~17.0%,而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7%-11.1%;同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。这些研究结果表明：未来大气CO2升高情景下,水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异,促进了甲烷氧化通量,而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应,是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。     

茶园土壤细菌丰度及其影响因子研究

采用Griffiths法直接提取土壤微生物基因组DNA,并通过实时荧光定量PCR技术分析土壤微生物16 SrRNA基因数量,对茶园及其附近森林和菜园土壤的细菌丰度及其影响因素进行了研究。结果表明,茶园土壤细菌丰度在0.01×108~20.32×10816 S rRNA基因拷贝数/g之间,平均为3.70×10816 S rRNA基因拷贝数/g,与酸性森林土壤大致相当,但明显低于中性菜园土壤。土壤细菌丰度与pH和微生物量C呈极显著正相关(P<0.001),但与施N量和茶树种植年限呈极显著负相关(P<0.01),与土壤有机C和全N含量的相关性不明显。多元回归分析表明,影响土壤细菌丰度最重要的因子是土壤pH,其他依次为树龄和施氮量。可见,提高茶园土壤细菌数量和微生物多样性的有效办法是适当提高土壤pH值,同时避免过量施用氮肥;对于改植换种的老茶园,改良土壤也是必不可少的。