DFeRB和SRB对冰封期铁与硫还原的影响研究

铁硫还原对环境中碳、氮、磷等生源要素的环境地球化学行为及重金属等污染物的形态和生物有效性有重要影响,而微生物在铁硫还原过程中起关键控制作用。本文针对北方寒旱区冰封期较长的特点,采用室内模拟研究,重点探究了冰封期异化铁还原菌(Dissimilatory iron reducing bacteria,DFeRB)和硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)介导的还原过程对铁硫行为的影响以及铁硫还原的耦合关系。结果表明,铁硫共存时,DFeRB和SRB的存在影响铁硫自身的电子传递,使铁和硫的还原过程更为复杂。DFeRB和SRB的还原倾向性存在明显差异。铁硫共存时,DFeRB更有利于铁的异化还原,DFeRB对铁的影响程度强于SRB。无论是DFeRB还是SRB,铁和还原菌同时存在时对硫酸盐还原的促进作用更强。DFeRB和SRB介导下的异化铁还原和硫酸盐还原存在明显的耦合关系,且存在显著的阶段性差异。研究表明冰封期DFeRB和SRB仍具有生物活性及还原能力,且对异化铁还原和硫酸盐还原有明显促进作用。     

土壤噬菌体的研究进展及生态功能解析

噬菌体在地球表层生态系统中的元素循环及污染物转化的微生物群落调控中发挥重要作用。相比于水生系统,土壤高度的异质性和病毒颗粒的高吸附度给土壤中噬菌体的研究带来挑战,尚未引起足够的关注。本文介绍了土壤噬菌体的形态与生命周期分类、以及噬菌体的提取和分析方法;探讨噬菌体调控土壤微生物群落结构以及碳、氮、磷、硫等生命元素循环与重(类)金属转化的科学联系;揭示其生物地球化学机制,阐明其生态功能和环境意义;并对土壤中噬菌体未来研究重点进行了展望。     

有机肥对退化红壤中细菌群落功能组成影响的PICRUSt基因预测分析

为探讨不同修复措施对南方典型退化红壤细菌群落功能组成的影响,设置单施生物炭(B)、微生物有机肥(OF)、化学肥料(CF)、生物炭配施微生物有机肥(BO)、生物炭配施化学肥料(BC)以及空白对照(CK)等6种修复处理方式并进行车前草的盆栽试验,采用细菌16S rRNA基因的高通量测序技术并结合PICRUSt功能预测分析,研究不同修复处理方式下退化红壤细菌群落结构及其功能组成的变化.结果表明,微生物有机肥和化学肥料对车前草根际土壤细菌群落结构与功能组成具有显著的影响(F2,15=25.55,R2=0.7731,P<0.001;F2,15=17.22,R2=0.6966,P<0.001),而生物炭的作用不显著(P>0.05);微生物有机肥处理车前草根际土壤细菌物种多样性显著增加,增幅达到17.30％,但是化学肥料显著降低细菌物种多样性,降幅达21.25％;微生物有机肥增加生物代谢途径和氮循环途径功能基因丰度,促进氮异化还原、反硝化作用和固氮作用过程,有利于土壤氮素的维持和土壤质量的改善,而化学肥料施用则相反.另外,根际土壤细菌物种多样性跟土壤的pH值显著正相关,跟碱解氮和有效磷等土壤养分含量显著负相关.本研究明确了退化红壤微生物群落功能组成以及氮循环相关功能基因对修复措施的响应,为南方退化红壤的生态修复与农业生产提供理论依据.     

稳定性同位素探针技术在土壤功能微生物原位鉴定的应用

新近发展起来的稳定性同位素探针技术(SIP)与分子生物学方法结合,能够定向发掘复杂环境中参与特定生态过程的微生物资源,是土壤功能微生物原位鉴定的有效手段,具有广阔的应用前景.其原理是环境样品中的功能微生物代谢同化同位素标记的底物,通过对其生物标志物(即DNA、RNA、PLFA等)进行提取、分离、鉴定和比对分析,以此获取介导土壤物质转化和循环过程的功能微生物的直接信息.本文在分别介绍SIP技术在土壤功能微生物原位鉴定过程中的各种前处理方法、生物标志物选择及后续鉴定方法的基础上,综述了SIP技术在研究驱动土壤有机污染物生物降解、碳氮循环等过程的功能微生物原位鉴定的应用进展,展望了SIP技术在土壤微生物基因组学方面的应用前景.     

土壤污染修复中的生物炭-微生物交互作用研究进展

近年来,生物炭在污染土壤修复中的研究与应用受到广泛关注,且已被证实对于修复土壤重金属及有机污染具有显著的效果。生物炭可以改善土壤性质,影响土壤微生物群落,实现生物炭介导的微生物土壤污染修复。本文综述了生物炭对微生物的积极作用,包括提供额外生存环境、提供营养物质和改善原有栖息地[土壤团聚性、pH、阳离子交换能力（CEC）和酶活性]。这些影响将导致微生物丰度、活性和群落结构的变化。然而,生物炭所携带的可能威胁微生物群落的有毒物质也不应被忽视,如多环芳烃、呋喃等;同时生物炭在高温热解过程中产生的持久性自由基也会对微生物产生毒性。本文还讨论了生物炭介导的微生物修复技术在去除土壤污染物方面的应用现状,最后对生物炭-微生物交互作用在土壤污染修复中的研究方向提出了展望。     

生物质炭对氮转化过程及其功能微生物影响研究进展

生物质炭孔隙发达,比表面积大,稳定性高,吸附性能强,表面微量元素及官能团丰富,对污水处理及土壤氮转化过程及功能微生物的演变起着重要作用.本文在分析氮循环途径的基础上,从废水、土壤2个主要环境探讨了生物质炭对氮转化过程及效率的影响,综述了生物质炭添加对环境中氮转化微生物群落结构及其功能基因影响的最新研究进展,认为生物质炭...     

极端干旱对土壤微生物群落和功能的影响研究进展

随着现代社会的快速发展和人类活动的日益增多,极端气候如干旱和高温等事件越来越频繁地出现.干旱和高温的同时发生容易形成极端干旱,不仅会改变土壤基本理化性质及功能,还会影响土壤微生物群落的组成和结构,同时对微生物介导的土壤微生物过程及生物地球化学循环产生深远影响,因此了解极端干旱如何影响土壤微生物群落及其功能显得至关重要.本文从个体到群落的角度综述了极端干旱对土壤微生物的影响及微生物对极端干旱的响应,包括极端干旱对微生物DNA及细胞完整性造成的伤害、对细菌群落和真菌群落组成的影响、对土壤微生物介导的碳氮循环功能的影响以及极端干旱下根际分泌物对根际微生物功能的影响,最后从交叉学科原位研究角度和分子组学角度对相关机理进行了展望.     

秸秆还田对稻田氮循环微生物及功能基因影响研究进展

土壤微生物对土壤变化的反应极为敏感,秸秆还田对土壤微生物产生的影响对维持稻田系统氮素循环极其重要。秸秆还田通过对土壤微生态环境的改变影响氮素在土壤中的生物化学转化过程,进而影响水稻生产的氮素管理策略。在查阅近年来发表的相关研究论文基础上,对秸秆还田下水稻土壤氮素转化过程中相关功能微生物的作用以及关键功能基因驱动机制等研究进行综述,以期厘清秸秆还田后稻田生态系统中微生物介导的氮素循环转化机制,为稻田科学施用氮肥提供理论依据。     

超积累植物内生微生物群落组成特征及其功能研究进展

重金属超积累植物内生微生物通常能够耐受高浓度的重金属,并且群落组成因植物种类、土壤类型和污染物种类不同而显著不同。内生微生物通过分泌植物生长素、改善营养状况、缓解乙烯胁迫及增强植物抵抗非生物胁迫等过程促进宿主植物的生长。超积累植物内生微生物一方面可以通过分泌质子、低分子有机酸、铁载体、螯合物或其他代谢产物来溶解或活化土壤重金属;另一方面通过促进根系的生长和菌根共生体的形成来提高对重金属的吸收;同时,内生微生物介导的氧化还原、生物吸附和生物积累等过程也会影响植物对重金属的吸收和积累。在应用方面,超积累植物内生微生物在强化植物修复、提高作物产量及微量元素生物强化等方面表现出良好的应用前景。本文综述了超积累植物内生微生物的群落组成及演替规律、对植物的促生机制、对重金属活化和吸收的影响机制及其在农业生产中的应用等,并在此基础上提出了今后的研究重点。     

铁作用下土壤氮素化学转化过程的研究进展

土壤中氮素的转化过程是氮素生物地球化学循环的关键环节,与当前诸多生态环境问题密切相关。传统观点认为土壤氮素转化过程须在微生物的参与下完成,但越来越多的研究发现化学过程同样发挥着重要的作用。目前相关研究多以铁作为氮素化学转化过程的电子供体或受体,并按照氮素的电子得失与去向将其划分为化学反硝化、化学硝化和化学固定过程。本研究以铁-氮之间氧化还原的耦合过程为基础对土壤中氮素化学转化的相关研究进行综合评述,着重探讨了土壤pH、固相界面、有机物浓度以及氮素水平等因素对该过程的影响机制。在此基础上,对相关工作提出建议与展望以供后续研究参考。     

氮在凋落物-土壤界面连续体转移研究进展

凋落物-土壤界面连续体是森林生态系统的最重要部分,也是氮素生物地球化学循环最活跃的场所。土壤氮元素的生物地球化学循环广义上可分为转运和转化2个环节,真菌和细菌分别在这2个环节上扮演重要角色。降雨、氮沉降和温度等变化能够改变森林生态系统的氮生物地球化学循环过程,在全球变化加剧背景下,深入了解凋落物-土壤界面连续体内氮的转运和转化过程和机制尤为重要。本文综述了凋落物-土壤界面连续体的研究现状,通过应用N示踪、分子生物学测序和N-DNA-SIP分子探针技术,研究氮转运和转化的微生物群落及其过程的可行性,并提出今后森林生态系统凋落物-土壤界面连续体的氮循环模式,强调了真菌的转运和细菌的转化过程在氮固持中的贡献,有助于森林生态系统氮固持力和机制系统认知,为开展温带森林生态系统管理和氮排放控制提供了思路。      

土壤-水稻系统砷的生物地球化学过程研究进展

本文综述了具有不同渗氧能力基因型水稻对土壤砷结合形态、水稻根表铁膜、砷吸收的影响以及不同根际氧化还原条件对土壤砷形态、水稻砷积累、砷转运载体表达的影响,分析了硅的不同施加量对水稻砷吸收的研究进展及其作用机制,从土壤铁矿物氧化和还原两个方面总结了根际铁循环对砷环境行为的影响以及对砷污染土壤修复的潜在价值,以期为最终降低水稻砷吸收提供理论参考。微生物介导的铁氧化还原对砷的环境行为如砷的溶解释放、吸附沉淀、形态转化等有重要影响,而铁细菌的胞外电子传递过程促进了铁的矿物相转化并耦合砷的钝化,在未来工作中值得进一步关注和研究。     

土壤碳循环微生物作用研究进展

土壤碳是全球碳循环的重要组成部分,其碳循环过程在气候调节中发挥着重要作用,而微生物是土壤碳循环的关键驱动力。土壤微生物能与植物共生间接促进植物光合作用与土壤碳的输入,可直接参与土壤碳的固定与转化。微生物残体及其分泌物在矿物质结合态有机质和土壤团聚体的形成中发挥关键作用,有利于土壤有机碳的长期稳定。微生物介导的激发效应对土壤有机质分解具有调控作用,可影响土壤CO₂和CH₄等温室气体的排放。通过微生物作用提升土壤的固碳潜力或碳汇功能,可助力我国实现 “碳达峰、碳中和”的重大战略目标。本文综述了微生物在土壤有机碳输入、有机质形成与稳定、有机质分解矿化等过程中的作用与机制,以及土壤性质、气候条件、植物因素与人类活动对微生物介导的土壤碳循环的影响,尤其是相关研究的最新进展与理论更新。未来可加强微生物介导的土壤有机碳稳定化与碳储过程的作用机制研究,关注土壤微生物群落结构功能与碳循环之间的复杂关系及其对全球变化的响应。     

施氮水平对花生根际土壤微生物群落结构和多样性的影响

本试验通过16S rRNA基因测序技术,研究零氮(0 kg/hm²)、低氮(75 kg/hm²)、中氮(150 kg/hm²)和高氮(225 kg/hm²)4个氮肥梯度对花生根际土壤微生物群落组成和结构的影响。结果表明,施氮可以提高花生根际土壤微生物群落的丰富度和多样性,不同氮肥处理中以中氮处理的Chao 1指数和Shannon指数最高。施氮处理下的OTUs个数均多于不施氮,且随着氮肥施入量的增加呈先升高后降低的趋势,中氮处理较零氮、低氮和高氮分别高11.21%、4.90%和7.01%。不施氮和在一定施氮范围内,土壤微生物群落稳定,但是高氮会导致土壤微生物群落不稳定。16S rRNA功能预测分析显示,施氮处理下的细胞运动等功能基因的丰度相对升高,对花生根际土壤微生物群落的功能丰度谱产生一定的影响。本研究明确了施氮对花生根际土壤微生物群落结构和多样性的影响,为深入研究不同施肥措施对花生根际微生态的影响提供了借鉴。     

土壤灭菌方式对不同深度土壤养分和微生物群落结构的影响

土壤强还原灭菌技术（Reductive soil disinfestation,RSD）是一种缓解连作障碍的有效手段,目前关于它对土壤微生物群落结构与活性影响的研究很多,但对于不同RSD处理下,不同深度土壤微生物群落结构的差异及其与环境因子的联系关注很少。为在一定程度上说明RSD改良缓解连作障碍的基本原理,并为后续研究人员采用微生物手段改良土壤质量、防治土壤连作障碍提供研究基础,本研究通过土壤理化性质检测和高通量测序技术比较了不同土壤灭菌方式对土壤养分和微生物群落的影响。结果表明：RSD处理能有效提高土壤中全氮、全钾和全磷含量,并促进有效磷、速效钾等土壤速效养分在土壤中的转化积累。同时,根据群落与环境因子关联分析,发现土壤深度、全氮、有效磷和交换态镁等环境因子共同驱动了Chloroflexi、Actinobacteria、Ascomycota、Basidiomycota、Mortierellomycota等菌门丰度变化,其中土壤深度差异是造成微生物群落结构差异的最主要原因。群落功能预测表明,RSD能有效提高浅层土壤中细菌的碳水化合物代谢、萜类与多酮类化合物代谢等功能丰度,并促进深层土壤中土壤腐生真菌、木质腐生真菌和枯落物腐生真菌的定殖。综上所述,RSD能有效提高土壤养分积累并驱动微生物群落结构与功能变化,有利于农田土壤地力提升与生态可持续发展。     

模拟根系分泌物输入对森林土壤氮转化的影响研究综述

在全球气候变化加速植物生长和生物量积累的背景下,氮素是森林生态系统初级生产力的主要限制因子之一。根系分泌物所介导的根际微生物过程在驱动森林生态系统土壤养分循环和增加氮素有效性方面具有重要意义。基于此,本研究综述了模拟根系分泌物输入对森林土壤氮素矿化、硝化与反硝化过程的影响及其机制。发现根系分泌物中的有机酸、糖类和氨基酸等物质均能促进有机质的分解和氮素矿化,在一定程度上能缓解植物对氮的需求。不同碳含量和碳氮比的根系分泌物输入驱动根际微生物行使不同养分利用策略,通过生物和非生物作用,根系分泌物矿化有机质中的氮素供给植物吸收利用;根系分泌物中的生物硝化抑制剂能抑制土壤硝化作用,减少氮素的淋溶;根系分泌物还通过控制根际与氮转化相关的反硝化细菌群落来促进土壤反硝化作用。综上,植物通过增加根系分泌物的输入能提高地下碳分配,影响根际土壤氮素转化,在维持森林土壤氮素循环和缓解养分限制等方面具有重要作用。表2参70     

基于宏基因组测序的稻蟹共作稻田根际土壤微生物群落功能分析

为了分析施入生物有机肥的稻蟹共作稻田（HXTCS）的水稻根际土壤微生物的代谢功能，以生物有机肥稻田（YJTCS）为对照，利用Illumina Novaseq测序平台对两种稻田成熟期的根际土壤进行宏基因组测序以分析微生物群落的组成及代谢功能。NR注释结果显示，样品中微生物以细菌为主，约占98.09%，其次为古菌约占1.76%，真菌及其他约占0.15%。LEfSe分析结果表明，河蟹引入生物有机肥稻田后富集更多的细菌和古菌群落的显著差异分类群。COG和CAZy功能基因注释结果显示，HXTCS主要相关功能基因的相对丰度均高于对照组。碳代谢途径基因注释分析结果表明，HXTCS在16个碳代谢途径的基因注释的相对丰度均高于对照组，其中丙酮酸代谢和原核微生物的碳固定途径的相对丰度在2种稻田中差异显著（P< 0.05）。氮代谢功能分析结果表明，HXTCS中的反硝化作用、硝酸盐还原作用和谷氨酰胺合成作用的关键酶基因的相对丰度均高于对照组。研究结果说明：河蟹引入生物有机肥稻田后，增加了根际土壤碳水化合物活性酶和主要代谢途径基因的相对丰度，有助于碳代谢及促进根际土壤氮循环中的反硝化作用、硝酸盐还原作用及谷氨酸的合成作用。     

有机固体废弃物生物转化技术研究进展

有机固体废弃物引起的环境污染风险日益增加,好氧堆肥是对有机固体废弃物进行资源化利用的研究热点。微生物是驱动有机固体废弃物进行生物转化的主要分解者,在好氧堆肥中扮演着重要角色。研究有机固体废弃物资源化处理过程中的微生物群落以及相关物质转化的功能基因,对促进有机物矿化、控制氮素流失、减少臭气排放、生产优质有机肥产品实现资源循环利用等具有重要意义。好氧堆肥中的微生物因受其复杂的环境因素的影响而发生变化。近年来,随着分子生物学、高通量测序技术的发展,在好氧堆肥中的微生物多样性及氮硫物质转化等研究方面获得诸多进展。重点阐述了基于好氧堆肥工艺的有机固体废弃物生物转化过程的研究进展,主要包括好氧堆肥过程中的微生物多样性、微生物群落演化机制,以及环境因子对微生物群落结构演化过程的影响机制等方面,为构建生物转化模型,调节好氧堆肥中的生物转化过程及提升有机固体废弃物高效生物转化技术提供科学依据。     

土壤氮循环微生物过程的分子生态学研究进展

固氮作用、硝化作用和反硝化作用是土壤微生物参与氮素循环的三个重要方面。自分子生态学方法应用于土壤学后,土壤微生物作用于氮素循环过程的机理研究取得了若干重要进展。包括:1)利用固氮菌的nifH基因作为分子标记研究有机质、氮素与固氮微生物之间的关系,发现固氮微生物的丰度和群落结构与土壤有机质含量呈正相关。然而,固氮微生物的丰度和群落结构与土壤速效N含量呈负相关,施用氮肥会抑制固氮微生物的生长,施氮土壤固氮微生物数量减少,多样性降低。2)以氨氧化微生物功能基因为探针,揭示了土壤pH与氨氧化微生物分布关系密切,碱性土壤中氨氧化细菌是硝化作用主要参与者,而酸性土壤中氨氧化古菌是硝化作用的主导者。土壤中N素的含量也影响氨氧化微生物的数量和群落结构,施入氮肥后氨氧化微生物的数量和活性增加。3)利用反硝化功能基因为分子标记研究土壤因子对反硝化细菌群落的影响,阐明了土壤可溶性有机碳、pH和土壤水分是影响反硝化细菌数量和群落结构的重要因子,并且发现土壤反硝化细菌与土壤反硝化能力和氧化亚氮释放之间存在着一定的联系,但这种联系在不同研究对象中存在差异,需要进一步确认。目前,利用分子生物学技术解析土壤氮素循环微生物生态功能取得了重要的进展,但还需进一步深入。今后,将采用包括同位素在内的示踪技术与分子生物学方法相结合共同分析氮循环不同代谢过程微生物种群间的相互关系以及氧化亚氮产生与硝化和反硝化微生物之间的关系。     

温度及AQDS对氧化铁微生物还原过程的影响

【目的】研究水稻土中微生物铁还原过程的温度效应,揭示不同铁还原微生物的作用机理。【方法】采用5种水稻土为供试材料,分别提取微生物群落或分离铁还原菌株;以人工合成氧化铁作为惟一电子受体,在无机盐培养体系中接种土壤浸提液或具有铁还原功能的菌株,厌氧恒温培养;通过对接种液的不同温度处理(40,50,60,70℃)、对培养温度的控制(30和50℃)以及向体系中添加AQDS,探讨温度及AQDS对氧化铁微生物还原过程的影响。【结果】将来源于吉林、天津和湖南水稻土的浸提液在40~70℃处理1 h后作为接种液,随着处理温度的升高,其Fe(Ⅱ)产生量和反应速率均呈逐渐降低趋势。在30和50℃培养温度下,来源于吉林、天津和四川的3种水稻土微生物群落添加AQDS可使Fe(Ⅲ)还原的反应速率常数增加10%~288%,而温度变化的增加幅度仅为6%~17%;对分离自四川和江西水稻土中的6株铁还原菌的纯培养试验发现,菌株JX-a08的Fe(Ⅱ)最大累积量、还原速率常数、最大反应速率及铁还原率均随培养温度的升高明显增加,表明菌株JX-a08更适于在50℃下生长。【结论】于40~70℃升温处理后,来源于吉林、天津和湖南水稻土微生物群落的铁还原能力受到一定程度抑制;添加AQDS可显著增加来源于吉林、天津和四川水稻土的3种微生物群落的铁还原反应速率;在6株铁还原菌的纯培养试验中发现了1株更适于在50℃下生长的菌株。