基于稳定性同位素核酸探针技术的红壤微生物底物利用策略研究

外源活性碳底物输入强烈影响土壤微生物的生长,但是在系统发育分类水平上,细菌和真菌对活性底物的动态响应及利用特征和微生物群落组成的关系仍不清楚。以红壤为研究对象,采用¹³C标记葡萄糖为底物进行模拟培养并定期取样,利用稳定性同位素核酸探针(DNA-based stable isotope probing,DNA-SIP)和高通量测序技术分析活性的真菌和细菌类群,并探讨不同微生物利用葡萄糖来源碳的动态特征。研究发现,微生物群落对葡萄糖的利用符合从细菌向真菌演替的r/K选择策略。在细菌群落中,隶属于富营养菌的变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)对活性底物的利用能力显著高于寡营养菌的酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)。和细菌的底物利用策略不同,真菌子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)在整个培养期间均可以利用葡萄糖和土壤原有组分。因此,葡萄糖的连续加入并未改变不同营养类型细菌的底物利用策略,而真菌对底物的利用具有广谱性特征,活性底物可诱导真菌对土壤原有组分...     

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。     

玉米秸秆固态和液态厌氧发酵产气性能与微生物种类比较研究

厌氧发酵产沼气是中国绿色农业发展过程处理农业废弃物的重要手段,该文以玉米秸秆为研究对象,开展液态、固态厌氧发酵产气性能、微生物系统多样性及演替规律的比较研究,得出如下结论:固态发酵总固体(TS)产气率及甲烷转化率略低于液态发酵,发酵结束后,前者沼液中N、P、C的含量要低于后者;乙酸是两发酵体系挥发性脂肪酸(VFAs)的主要组成,占总VFAs的70%以上。高通量测序结果发现,2个发酵系统中细菌主要以Bacteroidetes、Firmicutes、Proteobacteria、Cloacimonetes、Synergistetes及Verrucomicrobia为主,这6类菌群占总克隆数的80%以上。而Methanosaeta,Methanospirillum,Methanocorpusculum以及Methanoculleus是两系统优势古菌,并且随消化过程的进行,古菌群落呈现由乙酸型向氢营养型转变的趋势。发酵结束后,上述2类古菌在群落中的占比基本持平。对微生物多样性的聚类分析结果显示,在发酵第4天和第8天后,2个系统中细菌与古菌群落结构的差异逐渐明显。进一步分析表明,影响玉米秸秆液态发酵微生态结构的主要环境因子为乙酸,秸秆纤维素水解可能是制约物能转化率的关键过程;总磷(TP)是影响固态发酵系统微生态结构的关键环境因子,而如何增加产甲烷古菌的生物量是提高原料产气率的关键。该研究结果为调控玉米秸秆厌氧发酵过程、提高其生物降解效率提供了科学依据。     

潮土中残留小麦和玉米秸秆养分含量差异及与微生物群落组成的关系

黄淮海平原典型潮土上小麦和玉米收获后的秸秆往往直接还田,但驱动它们在不同质地潮土(砂质、壤质、黏质)中分解的微生物是否与残留秸秆养分含量有关尚不清楚.本研究基于尼龙网袋法,通过10个月的田间培育试验,监测秸秆分解率、残留秸秆养分含量及微生物群落组成,评估各指标在秸秆类型和土壤质地之间的差异,探究残留秸秆养分与微生物群落...     

玉米秸秆覆盖冬小麦免耕播种对土壤微生物量碳的影响

土壤微生物量碳(SMBC)是土壤有机碳的一部分,在养分循环中起着重要作用.本研究目的在于揭示我国华北平原玉米秸秆覆盖冬小麦免耕对土壤微生物量碳的影响.4～5年的试验结果表明,不同耕作方式对农田SMBC含量的时空变异具有显著的影响.玉米秸秆覆盖免耕播种处理上层(0～10cm)的含量比下层(10～20cm)增加47.4%,而清茬翻耕和还田翻耕处理的含量在土壤中的分层不显著.不同的耕作方式的SMBC含量均随气温降低而减少.全年平均来看,在0～10咖土层,不同耕作方式的SMBC含量大小表现为覆免>还翻>清翻,在10～20cm土层则表现为还翻>覆免=清翻.整个耕层(0～20cm)表现为还翻>覆免>清翻.在气温较低时,覆盖免耕的SMBC含量比清茬翻耕和还田翻耕低.在土壤表层,不同耕作方式SMBC含量的稳定性大小表现为还翻>覆免>清翻;在下层,不同耕作方式之间差异不显著.     

砂姜黑土有机碳与微生物群落特性之间的关系

砂姜黑土是我国典型的中低产土壤,提升土壤有机质是砂姜黑土改良的重要环节,然而砂姜黑土有机质与微生物之间的关联关系尚不明确。本文采集40个代表性苏北平原砂姜黑土样品,测定土壤有机碳、全氮、可溶性有机碳、微生物生物量碳氮,利用稳定性同位素13C标记的谷氨酸测定微生物碳利用率、16SrRNA基因高通量测序分析微生物群落结构,研究苏北平原砂姜黑土有机质及关键微生物的关联关系。结果显示:苏北平原砂姜黑土有机碳含量为15.82 g/kg,可溶性有机碳占土壤有机碳含量的2‰,表明有机质的碳有效性较低;砂姜黑土优势菌门为变形菌门,优势菌科以黄单胞菌科、Gaiellaceae、酸杆菌科细菌为主,但高效的碳转化菌群(如酸杆菌纲和放线菌)较少;微生物碳利用率普遍较低,在0.07～0.20之间,与有机碳、可溶性有机碳和微生物生物量碳含量显著相关。因此,较低的微生物碳利用率、较低的碳转化菌群组成比例制约了砂姜黑土有机质的形成与提升。     

秸秆添加对石灰性土壤有机与无机碳释放的影响

在富含碳酸盐的石灰性土壤上,土壤本身CO2释放不仅来自土壤有机碳（SOC）的分解,也源于无机碳（SIC）的溶解。在秸秆还田下,石灰性土壤CO2释放来源达到三个（秸秆碳、SOC和SIC）,由于区分技术的限制,当前区分CO2释放三源的研究,尚少见报道。以华北石灰性农田土壤为研究对象,采用13C标记玉米秸秆添加土壤进行室内培养32周,设置4个处理,分别为无添加对照（CK）、低量秸秆添加（S1,相当于田间秸秆还田量9.6 t?hm-2）、中量秸秆添加（S2,秸秆还田量28.8 t?hm-2）和高量秸秆添加（S3,秸秆还田量48.0 t?hm-2）,利用秸秆碳、SOC与SIC之间的δ13C差异,借助稳定同位素溯源模型IsoSource,区分土壤CO2的释放来源,明确秸秆添加对石灰性土壤有机与无机碳释放的影响。结果表明,随着培养时间的进行,土壤释放CO2中源于秸秆的贡献呈下降趋势;秸秆分解对土壤CO2释放的贡献随着秸秆添加量增加而增加,对于S1、S2和S3处理,土壤释放CO2中源于秸秆、SOC和SIC的贡献比值约分别为3:3:4、5:2:3和6:2:2;与CK相比,S1处理降低SOC分解的激发效应（程度为9%）,S2和S3处理反而增加了SOC分解的激发效应（程度分别为22%和57%）;秸秆和SOC矿化增加SIC溶解的释放,随秸秆添加量增加而增加,S1、S2和S3处理提高SIC源CO2的释放程度分别为368%、561%和652%。因此,秸秆添加不仅影响SOC源CO2的释放,也增加了SIC源CO2的释放,若忽略SIC溶解对土壤CO2释放的贡献,可能导致SOC矿化量的高估,进而影响SOC激发效应评估的准确度。     

连年秸秆覆盖对玉米产量及土壤微生物残体碳积累的影响

为明确连年秸秆覆盖对玉米产量及土壤微生物残体碳的影响,从而揭示秸秆覆盖条件下土壤有机碳积累的微生物学机制,该研究基于田间8 a长期定位小区试验,比较了不覆盖秸秆（CK）和覆盖秸秆（SM）两处理中玉米产量,同时利用一阶动力学模型对土壤（0～10 cm和>10～20 cm）中有机碳、微生物残体碳及两者比例的年际变化进行了拟合。结果表明：1）秸秆覆盖在前5 a内没有显著提高玉米产量,第6年开始产量显著增加;在前2～3 a没有显著提高土壤有机碳和微生物残体碳含量;2）利用一阶动力学模型参数得到,SM处理显著提高了表层土壤有机碳、微生物残体碳以及两者比例的最大值,较CK处理分别高12%、39%、6%;3）SM处理显著延长了表层土壤有机碳、微生物残体碳以及两者比例达到最大值的时间,较CK处理分别多13、12和2.5 a,然而SM处理并没有显著影响下层土壤有机碳、微生物残体碳及两者比例的变化。因此,秸秆覆盖能够通过显著提高表层微生物残体碳及其对土壤有机碳的贡献,进而有利于对整个耕层土壤有机碳的固持。     

玉米秸秆覆盖还田量对黑土微生物碳代谢活性与多样性的影响

  目的  针对东北黑土区长期集约化耕作导致的土壤退化问题,开展不同秸秆覆盖还田量对土壤微生物碳代谢特征的影响及其驱动因素的研究。  方法  采用MicroRespTM方法结合土壤碳氮含量等理化性质,测定土壤微生物碳代谢能力及其影响因素,使用Past v2.16、Canoco 5.0等软件对微生物群落功能多样性、结构差异以及土壤理化性质和微生物群落碳代谢特征间的关系进行分析。  结果  秸秆连续覆盖还田14年后,土壤微生物对羧酸类与氨基酸类碳源的代谢活性显著降低,但对外源碳底物的代谢多样性显著增强。67%和100%秸秆还田显著改变了土壤微生物群落碳源代谢结构,100%秸秆还田下微生物对芳香酸类碳源的相对代谢活性提高。土壤微生物对碳源的代谢活性主要与土壤碳氮含量显著相关,土壤可溶性碳与碱解氮含量分别是影响土壤微生物碳源代谢多样性和结构的主要理化因子。  结论  长期秸秆还田可以通过降低土壤微生物对易利用碳源的代谢需求、提高对碳源的代谢多样性而改善免耕土壤微生物碳代谢功能。本研究可为优化东北黑土区保护性耕作管理模式、促进该地区农业可持续发展提供微生物学参考。     

低温堆腐与秸秆深翻还田对玉米产量及土壤微生物群落的影响

为探明我国东北地区玉米不同的秸秆还田方式对玉米产量和土壤微生物群落结构的影响,在典型棕壤区开展连年田间对比试验.采用常规方法测定玉米产量、土壤养分、土壤团聚体分布,采用微生物高通量测序方法测定土壤细菌多样性和丰度,并分析土壤环境因子的变化对土壤微生物群落的影响.本研究设无肥对照(CK)、秸秆不还田(FP)、秸秆深翻还田...     

种还分离玉米秸秆还田对土壤微生物量碳及酶活性的影响

在种还分离模式下采用尼龙网袋法对玉米秸秆还田进行田间原位模拟,比较不同秸秆还田量在不同还田深度下对土壤总有机碳、微生物量碳、纤维素酶活性和过氧化氢酶活性的影响。试验设置秸秆还田量0(R0),0.44%(R1),0.88%(R2)和1.32%(R3)4个水平和3个还田深度0—15,15—30,30—45cm交叉处理。结果表明:还田1年时,在0—15cm土层,土壤总有机碳、微生物量碳、纤维素酶活性和过氧化氢酶活性均随秸秆还田量增加而提高,且R3处理提升效果最显著,分别达到30.98%,101.16%,172.72%,5.40%;在15—30cm土层,秸秆还田处理的土壤总有机碳、微生物量碳含量和过氧化氢酶活性高于R0处理,但R1、R2、R3之间无显著性差异,纤维素酶活性随秸秆还田量增加而变大;在30—45cm土层,R2、R3处理的土壤总有机碳、微生物量碳含量和纤维素酶活性显著高于其他处理,各处理的过氧化氢酶活性并无显著差异。还田2年与还田1年相比,各处理的土壤总有机碳、微生物量碳、纤维素酶活性均降低,降低幅度分别为8.59%~35.36%,6.74%~29.16%,6.18%~31.72%,但过氧化氢酶活性呈增加趋势,以R3增幅最大,随土层加深,提升幅度为14.14%,10.14%,12.11%。说明在种还分离模式下可以高量秸秆还田,并可有效改善土壤肥力。     

分根装置中接种AM真菌对玉米秸秆降解及土壤微生物量碳、氮和酶活性的影响

本试验通过两室分根装置种植玉米,利用网袋法研究接种Glomus mosseae和Glomus etunicatum两种AM真菌对玉米秸秆降解的影响。试验分别在玉米移栽后第20 d、30 d、40 d、50 d和60 d时取样,通过测定接种AM真菌后玉米秸秆中碳、氮释放,土壤中3种常见酶活性、微生物量碳、微生物量氮及土壤呼吸的动态变化,探讨AM真菌降解玉米秸秆可能的作用机制。研究结果表明:经60 d的培养后,与未接种根室相比,接种G.mosseae和G.etunicatum真菌的菌根室玉米秸秆降解量提高了20.75%和20.97%;另外,接种G.mosseae和G.etunicatum加快了玉米秸秆碳素释放,降低了氮素释放,致使碳氮比降低25.45%和26.17%,有利于秸秆进一步降解。在本试验条件下,接种AF真菌的菌根室中土壤酸性磷素酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性均有显著提高,并增加了微生物量碳、氮和土壤呼吸作用,形成了明显有别于根际的微生物区系。这一系列影响都反映出AM真菌能够直接或间接作用于玉米秸秆的降解过程,是导致玉米秸秆降解加快的重要原因。     

基于核酸DNA/RNA同位素示踪技术的水稻土甲烷氧化微生物研究

稳定性同位素示踪复杂土壤中微生物DNA/RNA的技术难点是13C-DNA/RNA的鉴定。本研究针对我国六种典型水稻土,利用稳定性同位素13CH4示踪活性的甲烷氧化菌,超高速密度梯度离心获得不同浮力密度DNA/RNA后,以甲烷氧化菌独有的pmo A功能基因和16S r RNA特异基因作为分子标靶,通过半定量凝胶电泳技术评价了特异基因作为分子标靶判定13C-DNA/RNA的可行性,进一步利用克隆文库技术研究水稻土中的活性甲烷氧化菌群落结构。结果表明:甲烷氧化菌功能基因pmo A作为分子标靶,能够准确鉴别13C-DNA,而甲烷氧化菌特异的16S r RNA基因则能较好地区分12C和13C标记的RNA,但13C-RNA中的非目标微生物污染高于13C-DNA示踪技术。进一步以13C-DNA和13C-RNA为模板,分别构建了pmo A和16S r RNA基因的克隆文库,系统发育分析表明I型菌主导了土壤甲烷氧化过程,其中江西鹰潭和黑龙江五常土壤中活性甲烷氧化菌全部属于Ia型,而四川资阳、浙江嘉兴、江苏常熟和江都土壤中Ia型和Ib型甲烷氧化菌均有发现,并且后者比例较低。这些结果表明分子标靶基因能够有效判定复杂土壤中的甲烷氧化菌13C-DNA/RNA,在DNA和RNA水平的结果基本一致,我国典型水稻土中活性甲烷氧化菌可能存在一定的地理分异规律。     

基于旋耕玉米秸秆还田条件下土壤微生物、酶及速效养分的动态特征

为研究旋耕条件下秸秆还田的腐解机理,设置不同数量秸秆还田处理,分别于玉米拔节期、抽雄期、乳熟中期、完熟期测定土壤微生物数量、土壤酶活性和速效养分含量。结果表明:(1)秸秆还田促进土壤微生物繁殖,提高土壤酶活性,增加碱解氮含量,降低速效磷和速效钾含量;秸秆量为11 250kg/hm~2时真菌、细菌、放线菌数量及蔗糖酶、纤维素酶活性增幅最大;秸秆量为7 500kg/hm~2时脲酶、磷酸酶活性和碱解氮增幅最大,速效磷、速效钾降幅最大。(2)部分土壤微生物数量与土壤酶活性之间存在相关性,播种后40天,土壤真菌、细菌、放线菌数量、纤维素酶活性之间存在正相关,真菌与磷酸酶活性呈负相关;播种后67天,放线菌与磷酸酶、蔗糖酶呈正相关;播种后140天,放线菌与蔗糖酶呈正相关。(3)部分土壤酶活性之间存在相关性,播种后67天,脲酶与纤维素酶、磷酸酶与蔗糖酶之间呈正相关;播种后140天,蔗糖酶与纤维素酶呈正相关,脲酶与蔗糖酶、纤维素酶呈负相关。(4)土壤酶活性与速效养分存在相关性,播种后40,112天的脲酶、67天的纤维素酶、112,140天的磷酸酶与碱解氮含量呈正相关;播种后40天,蔗糖酶与速效钾呈正相关,播种后40,67,112天脲酶活性与速效钾含量呈负相关。(5)碱解氮与速效磷含量呈负相关,播种后40,112,140天的碱解氮与速效钾含量呈负相关。     

利用δ13C方法研究添加玉米秸秆下红壤总有机碳和重组有机碳的分解速率

土壤有机碳分解速率是研究土壤碳动态变化的基础。本文利用13C自然丰度方法和同位素质谱分析技术,通过室内培育实验研究了红壤总有机碳和重组有机碳的分解速率,培养时间为180 d,培养温度为30℃。结果表明:在5%和10%秸秆用量下,红壤总有机碳的分解速率常数为8.2×10-4d-1~22.0×10-4d-1,而重组有机碳的分解速率常数为4.0×10-4d-1~15.6×10-4d-1。施用玉米秸秆明显地促进了红壤原有的总有机碳和重组有机碳的分解,施用量越多,原有机碳分解的越快,表明土壤中原有机碳的分解速率与进入到土壤中的新鲜有机碳量有关。