纳木错湖水体固碳微生物数量、群落结构及其驱动因子

湖泊是微生物固碳的主要生态系统之一,但青藏高原湖泊水体固碳微生物群落的研究还罕见报道。以纳木错为例,采用定量PCR和克隆文库方法,研究湖水中cbbL ID基因丰度和固碳微生物群落组成,并分析其与环境参数的关系。结果显示:纳木错湖水中存在较高丰度的cbbL ID类型固碳微生物,从表层到底层呈增加趋势,T2点底层达到最高值(6.37×10~8拷贝L~(-1)湖水)。cbbL ID类型固碳微生物共分四个类群,即不等鞭毛类(Stramenopiles),定鞭藻纲(Haptophyceae),蓝藻(Cyanobacteria)和隐藻门(Cryptophyta)。其中占主要的是Stramenopiles和Haptophyceae。Stramenopiles类群的多样性较高(含7个纲,13个科),其他类群只有1个科。相关性分析表明Stramenopiles和Haptophyceae出现频率存在显著的负相关关系(P0.01)。湖水深度和pH与湖水cbbL ID基因丰度显著相关(P0.05,P0.01)。叶绿素含量与Stramenopiles和Haptophyceae出现频率显著相关(P0.01)。     

非光合固碳微生物菌群的耐盐特性及其影响因素

从海洋中分离驯化得到的非光合固碳微生物菌群(NPMC)是无需光照和供氢的化能自养微生物,若能用于贫瘠盐碱地改良,实现其在盐碱土壤中的二次固碳,对于盐碱土壤的低碳化改良具有重要的意义.本实验初步验证了NPMC的耐盐特性,以及微量元素和磷酸盐缓冲液两单因素在次高盐条件下对NPMC固碳效率的影响.并通过响应面法研究了微量元素与盐浓度对NPMC固碳效率的交互作用.结果表明,非光合固碳微生物拥有耐受高盐浓度的特性,可耐受高达100g/L以上的总盐度,因此可用于重盐碱土壤的改良.微量元素和磷酸盐缓冲液浓度的增加,都可增强NPMC的固碳效率,微量元素的促进效应高于磷酸盐缓冲液.微量元素和盐度对NPMC固碳效率的影响存在交互作用.     

藏北高原草甸土壤固碳微生物群落特征随海拔和季节的变化

研究土壤固碳微生物丰度、群落结构、多样性差异及其影响因子对了解青藏高原土壤碳循环和固碳潜力具有重要意义。采用定量PCR(qPCR)、末端限制性片段分析(T-RFLP)、克隆文库和测序方法,研究了青藏高原草甸土壤固碳微生物丰度与群落结构随海拔和季节的变化,主要结果如下:1)随海拔升高高寒草甸土壤固碳微生物丰度显著升高,但季节变化不明显,不同类别微生物固碳基因cbbL丰度依次为:Form ICForm IABForm ID,其中Form IC类固碳微生物可达10~8拷贝数/g土壤,cbbL基因丰度与海拔、土壤含水量和铵态氮含量(NH_4~+-N)呈正相关关系,与土壤温度和pH值负相关;2)固碳微生物多样性和丰富度随海拔升高而升高,在4800m达到最大,且二者受季节影响较小,其群落结构随海拔升高而逐渐变化,主要受土壤pH值、海拔和土壤水分影响;3)Form IC类固碳微生物主要包括放线菌门和和变形菌门,其中α变形菌门是高寒草甸土壤优势固碳微生物类群。本研究有助于理解土壤微生物群落功能及其在土壤碳循环过程中的作用,为更准确评估高寒草甸土壤碳循环过程提供了科学依据。     

非光合固碳微生物的碳源组合优化

二氧化碳(CO_2)过量排放而引起的全球变暖是目前全球面临的重大环境问题。微生物固碳是实现二氧化碳资源利用的一种重要方式。探索无需光照的高效固碳微生物对于更广泛环境条件下的微生物固碳具有重要意义。在从全球各大海域筛选富集出非光合微生物茵群的基础上,本文构建了在不同的电子供体条件下(铵和氢气)促进非光合微生物茵群生长的最佳混合碳源组合,得到如下结果:在以NH_4~+为电子供体的条件下,优化后的碳源组合为374.24 mgC/L碳酸钠(Na_2CO_3),54.76 mgC/L碳酸氢钠(NaHCO_3)和0 mgC/LCO_2时,最佳响应值TOC为3.06 mg/L。最佳响应值TOC低于以Na_2CO_3为单一碳源时,但高于以CO_2或NaHCO_3为单一碳源时;在以H_2为电子供体条件下,使用优化后的混合碳源为0.26 mg/L Na_2CO_3、0.59mg/L NaHCO_3和71.48mL/L CO_2时,非光合微生物菌群的固碳效率可达27.62 mg/L,较以CO_2为单一碳源提高35%左右。这可能意味着有H_2条件下非光合微生物菌群中的微生物可能以羟基丙酸固碳途径为主,而且多条固碳途径均能被混合菌群利用。     

毛竹林集约经营对土壤固碳细菌群落结构和多样性的影响

为揭示毛竹集约经营对土壤固碳细菌的影响,分别采集集约经营时间为0、10、15、20年和25年的毛竹林土壤(0—20 cm和20—40 cm)土壤,应用实时荧光定量PCR、T-RFLP以及cbbL基因文库方法,分析毛竹林长期集约经营过程中土壤固碳细菌丰度和群落结构多样性的变化,通过冗余分析(RDA)探讨影响土壤固碳细菌群落的主要环境因素。结果表明,长期的集约经营显著提高了毛竹林表层和亚表层土壤的养分含量,土壤pH值却明显降低。集约经营毛竹林土壤固碳微生物数量并未表现出与SOC的相关性,而与N素水平的变化显著相关。具体表现为:随着集约经营的进行表层cbbL基因丰度呈先上升(10年)后下降的规律,与氮素水平呈正相关(P0.05);亚表层土壤cbbL基因丰度则呈直线下降的趋势,与C∶N呈正相关(P0.05)。集约经营导致表层和亚表层土壤微生物群落结构改变,表层固碳细菌多样性指数下降。由系统发育分析可知,不可培养固碳细菌占56%比例,土壤中共同的优势种类多为变形菌和放线菌,以兼性自养为主。RDA分析结果表明土壤酸化和养分积累是毛竹林土壤固碳细菌群落和多样性变化的重要原因。     

固碳微生物菌株的分离鉴定及其固碳能力测定

利用微生物回收和固定CO2气体的生物固碳方法,成为解决"温室效应"这一重大环境问题的焦点,本研究目的是分离筛选固碳微生物菌株。利用无碳源无机培养基从活性污泥、沼液和设施土壤中分离筛选出以CO2为碳源的菌株24株,选取其中生长较快的8株菌进行cbbL基因、形态观察、生理生化反应测定和16S rDNA测序分析,将测序结果在BlAST数据库中比对,进行固碳菌株的分子鉴定,并对其菌体含量和RubisCO酶活性进行比较。选取RubisCO酶活性最高的菌株C2-8R,进行土壤施用试验,通过土壤RubisCO酶活性的测定,确定分离筛选的固碳菌的固碳能力。研究表明,可通过无碳源培养基进行固碳微生物菌株的筛选,筛选的固碳菌分别隶属于假单胞菌属和嗜甲基菌属,并可通过RubisCO酶活性来反映微生物的固碳能力。     

微生物固碳的电子供给策略研究进展北大核心CSCD

随着生物化工技术的不断发展成熟,通过改造微生物已可以实现二氧化碳、甲烷等温室气体的固定、转化和利用,而电子传递及能量供给对微生物固碳效率起着决定性的作用。本文首先分析了好氧性嗜甲烷菌、化能自养微生物等天然微生物细胞内外的直接、间接电子传递系统。在此基础上,围绕微生物固碳细胞工厂的构建,进一步介绍了基于光能、电能的人工电子供给策略及其对固碳过程中代谢通量、合成路径和供能效率的影响。最后针对微生物固碳的关键共性技术难点,简要展望了可行性的解决方案及相关应用前景。     

Influence of temperature and pH on CO2 fixation by a non-photosynthetic microbial community and its mechanism analysis

CO2是主要的温室气体,也是地球上最丰富的碳源和可再生资源,本实验通过研究温度和pH对非光合固碳微生物固碳效率的影响,以期获得非光合固碳微生物适宜的固碳条件,并通过16S rDNA序列分析,研究了不同条件对固碳微生物群落结构的影响及其与固碳效率的相关性.结果表明,好氧/厌氧固碳微生物菌群生长的最适pH均在7左右.好氧固碳微生物菌群可在较大的温度范围(10℃～40℃)内良好生长,但其固碳速率在10℃左右时最高,之后微生物固碳速率随温度上升而下降,在40℃时,微生物固碳速率开始回升.厌氧时微生物的固碳效率随温度的变化情况与好氧时相似,但总体效果要比其在好氧时低20％～25％.由DGGE图谱及戴斯系数分析可得培养温度和pH对群落结构有显著影响,不同pH和温度条件下优势菌差异显著,这可能是固碳效率变化的重要原因之一.     

长期施肥对稻田土壤固碳功能菌群落结构和数量的影响

微生物固碳在减缓全球气候变化、实现人类可持续发展方面具有重要的意义,通过揭示长期不同施肥制度对土壤固碳细菌的影响规律,可以为我国稻田土壤科学施肥,稻田固碳和温室气体减排的共轭双赢作用提供重要的理论依据。以湖南宁乡国家级稻田肥力变化长期定位试验为平台,采用PCR-克隆测序和实时荧光定量(Real-time)PCR技术,研究不施肥(CK),氮磷钾肥（NPK）和秸秆还田（NPKS）3种长期施肥制度对稻田土壤固碳细菌群落结构及数量的影响。通过分析固碳细菌cbbL基因文库发现,长期施肥导致土壤固碳细菌种群结构产生了明显差异,NPK和NPKS处理中兼性自养固碳菌群落优势增加而严格自养固碳菌生长受到抑制。LUBSHUFF软件统计分析显示cbbL基因文库在CK、NPK及NPKS处理间均存在显著性差异。 3种施肥处理的稻田土壤细菌cbbL基因拷贝数为3.35?108 —5.61?108每克土,施肥后,土壤细菌cbbL基因数量增加,其中NPKS处理cbbL数量最多,是CK处理的1.5倍左右。稀疏曲线则显示长期施化肥导致细菌cbbL基因多样性高于NPKS,而NPKS高于CK。上述结果表明了长期施肥对土壤固碳细菌群落结构,多样性及数量均有显著的影响。本研究结果可为深入探讨稻田土壤微生物固碳潜力及其影响机理提供有力的依据。     

林冠受损对小坑林场土壤固碳微生物群落结构的影响

【目的】以典型南亚热带常绿阔叶林小坑林场土壤为研究对象,模拟2008年冰雪灾害对森林造成的损伤设置实验,分析不同林冠开度和凋落物输入量对土壤固碳微生物群落结构的影响。【方法】试验设置对照(CN)、损伤处理+移除处理枝叶(TR)、损伤处理+保留处理枝叶(TD)、未处理+添加处理枝叶(UD)4个处理,受损处理一年后,采用MiSeq高通量测序技术对土壤固碳微生物的功能基因cbbL进行测序分析。【结果】通过生物信息学及统计学分析表明,森林林冠损伤后林冠开度和凋落物输入量增加,导致土壤固碳微生物种群数量降低,多样性增加,群落结构也受到影响,亚硝化螺菌属(Nitrosospira)明显增加,成为优势种群,而原来的优势菌群慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)明显减少。主成分分析(PCA)表明,与对照相比,其他3个样地的土壤固碳微生物结构均发生明显改变。【结论】模拟林冠损伤处理一年后,凋落物的大量骤然输入和林冠开度增大提高了土壤固碳微生物群落多样性,但降低了其种群数量,影响了土壤固碳微生物群落结构,这为进一步的研究提供了依据。     

秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响

为研究秸秆还田配施中量元素(S)和微量元素(Fe和Zn)对粮田土壤有机碳固持的影响,进行了为期52 d的室内玉米秸秆腐解培养试验. 结果表明:秸秆腐解过程中分别添加S、Fe和Zn元素,均提高了微生物生物量碳(MBC)及土壤CO₂-C矿化速率,52 d腐解培养结束后,CO₂-C的累积矿化量显著提高,但土壤有机碳含量并未显著降低;3种元素中,添加Fe或Zn的处理提高了土壤惰性碳库、惰性碳库比例及土壤有机碳表观平衡,有利于土壤有机碳固持,而添加S的处理却降低了惰性有机碳比例及土壤有机碳表观平衡,不利于有机碳固持. 因此,在施N、P肥基础上,秸秆还田添加S、Fe或Zn均能促进土壤有机碳的矿化进程,但添加Fe或Zn可使更多有机碳固持于土壤中,添加S不利于土壤有机碳的固持.     

岩溶区土壤微生物驱动的自养固碳过程与机制研究进展

自养微生物能够利用无机碳作为碳源合成自身营养物质,具有很强的环境适应能力,在富钙偏碱的岩溶区土壤的碳固定过程中扮演重要角色。本文综述了土壤微生物驱动的自养固碳过程、岩溶区土壤固碳功能微生物、自养固碳的分子机制及其产生的生态环境效应,并提出了亟待解决的关键科学问题。为深入研究和认识岩溶区土壤生态系统自养微生物驱动的固碳过程及其机制、提高岩溶区土壤的固碳潜能、发展岩溶区生态环境的保护与修复策略、应对气候变化及人类活动引起的土壤退化风险提供参考。     

水分含量对紫色土自养微生物丰度与活性的影响

通过室内培养试验,研究土壤水分对紫色土自养微生物丰度与活性的影响。土壤含水量(质量百分比)设置为4个处理,分别为10%(W_(10))、15%(W_(15))、25%(W_(25))及淹水(WL),于室温下培养28天。分别于培养的第3、7、14、28天取样,测定土壤有机碳含量、cbb L基因(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶大亚基基因)丰度、RubisCO(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶)酶活性,并分析它们之间的相关性。结果表明:土壤cbbL基因丰度于培养的前14天呈现随含水量增加而升高的趋势,且淹水处理(WL)在整个培养期间其cbbL丰度均处于最高水平。各处理土壤的RubisCO酶活性在培养初期(第3天)无显著差异,培养后期(第28天)低含水量(W_(10)和W_(15))处理中RubisCO酶活性显著低于高含水量的W_(25)及WL处理(P0.05)。单因素重复检测方差分析结果表明,含水量显著影响土壤有机碳含量(F=11.91,P=0.03)、cbbL丰度(F=42.33,P0.01)和RubisCO酶活性(F=51.55,P0.01)。相关性分析表明,土壤cbbL丰度与RubisCO酶活性呈显著正相关(R2=0.23,P0.01),而它们均与土壤有机碳含量呈显著负相关。综上,土壤水分含量是影响紫色土自养微生物丰度和活性的关键因子,它们均随含水量升高而增加,此结果可为揭示土壤碳转化对土壤湿度变化的响应机制提供重要的基础信息。     

细菌与古菌之间的直接电子传递

冰川占地球陆地表面的11%,储存了约10⁴ Pg有机碳。随着冰川消融有机碳被释放至下游生态系统中,刺激海洋、湖泊和径流的初级生产力进而影响其生态系统。微生物参与的固碳过程决定了冰川有机碳储量及向下游输出碳量。研究冰川固碳微生物群落构成及其生态功能,可为估算冰川碳积累量和保护下游生态系统提供数据基础。本文综述了冰川碳储量和释放量、冰川生态系统主要固碳途径、固碳微生物群落组成、固碳速率以及影响固碳速率的环境因素。最后基于研究现状展望了冰川生态系统固碳微生物的未来研究和发展方向。     

温度、pH对非光合微生物菌群固碳效率的影响及其成因分析

CO2是主要的温室气体,也是地球上最丰富的碳源和可再生资源,本实验通过研究温度和pH对非光合固碳微生物固碳效率的影响,以期获得非光合固碳微生物适宜的固碳条件,并通过16SrDNA序列分析,研究了不同条件对固碳微生物群落结构的影响及其与固碳效率的相关性。结果表明,好氧／厌氧固碳微生物菌群生长的最适pH均在7左右。好氧固碳微生物菌群可在较大的温度范围（10℃-40℃）内良好生长,但其固碳速率在10℃左右时最高,之后微生物固碳速率随温度上升而下降,在40℃时,微生物固碳速率开始回升。厌氧时微生物的固碳效率随温度的变化情况与好氧时相似,但总体效果要比其在好氧时低20％～25％。由DGGE图谱及戴斯系数分析可得培养温度和pH对群落结构有显著影响,不同pH和温度条件下优势菌差异显著,这可能是固碳效率变化的重要原因之一。     

土壤有机碳动态:风蚀效应

土壤风蚀是引起土壤退化最广泛的形式和原因之一。土壤风蚀对土壤碳动态的影响机制一方面是土壤风蚀引起土壤退化使土壤生产力下降,输入土壤的碳数量减少;另一方面是富含有机碳的细粒物质直接移出系统。风蚀土壤碳的去向包括:(1)就近沉积,(2)沉积于水渠和河流,输入水体;(3)以粉尘形式运移,在远离风蚀区的地域沉积;(4)氧化释放至大气。风蚀引起土壤碳的迁移和沉积不仅导致土壤有机碳在地域间的再分布,使土壤性状的空间异质性增加,也显著改变了土壤系统中碳矿化的生物学过程。土壤有机碳的保持可以促进团聚体的形成,使土壤物理稳定性增加,减缓风蚀。对易风蚀土地进行退耕还林还草、实行保护性耕作等措施可以有效增加土壤碳的固存。     

非光合固碳微生物菌群最佳组合氮源的正交实验分析

与光合微生物相比,非光合微生物固定CO2具有不用光照,可昼夜持续的优点.氮源是影响微生物固碳效率的重要因素.本研究围绕非光合固碳微生物培养中的氮源进行单因素实验,并在此基础上设计正交交互实验以确定最优的氮源组合.结果表明,实验中采用的三种无机氮对微生物固碳效率均有提升,其中( NH4)2SO4约在浓度为8g/L时达到最大值,NaNO3约在浓度为5 g/L时达到最大值而NaNO2约在浓度为5 g/L时达到最大值.根据单因素实验的结果设计L27(313)的正交交互实验表,得到不同氮源组合影响固碳效率的主次顺序:NaNO3和(NH4)2SO4是影响微生物固定CO2的主要因素,其余依次为NaNO3和(NH4)2SO4的交互作用,(NH4)2SO4和NaNO2的交互作用以及NaNO2等.同时三种氮源的最优组合为(NH4)2SO4浓度9 g/L,NaNO3浓度5 g/L和NaNO2浓度8 g/L,并得到三种因素影响的直观图.     

非光合微生物菌群好氧固定CO2的研究

微生物固定CO2在环境、资源方面具有重要意义.然而,通常具有较高固碳能力的光合细菌和氢-氧化细菌由于需要光照/严格厌氧和供氢,限制了其在反应器或土壤中的应用.本研究通过生物技术手段从海水及其沉积物中选育到在普通好氧条件下具有固碳能力的非光合微生物菌群,并通过电子供体和无机碳源结构的优化,显著提高了其对无机碳的同化能力,好氧条件下固碳菌液的最高无机碳同化效率可达110 mgCO2 / L·d,为实现普通环境条件下的微生物固碳奠定了基础.同时,通过分子生物学手段研究了不同环境条件下固碳微生物菌群的群落结构,以期为进一步优化固碳微生物群落结构,提升固碳效率提供理论依据.结果发现在不同培养条件下,菌群的群落结构发生了很大改变,表明不同条件下的固碳优势菌属于不同的种属,但通过测序、序列比对及构建系统发育树后发现,在已测序的16个显著条带中,11个是不可培养微生物,即其只能以共生方式存在,混合培养时,固定CO2的效果可能是多种菌共同作用的结果.这意味着单一纯种微生物的固碳效率可能较低,研究与优化固碳微生物菌群的结构和配比将有利于固碳效率的提升.     

松嫩平原农田土壤有机碳变化及固碳潜力估算

基于1979—1985年全国第二次土壤普查和2015年实地采样数据,利用土壤类型法计算了近35年来松嫩平原及其各县农田表层土壤有机碳密度和土壤碳库储量;并分析了松嫩平原农田土壤有机碳密度的空间分布及变化特征;利用饱和值法对松嫩平原及其各县市农田土壤有机碳量的变化趋势进行拟合,估算其农田土壤的固碳潜力。结果表明:(1)2015年松嫩平原农田表层土壤有机碳密度平均值为1.61 kg/m~2,近35年来约有81.59%的农田土壤有机碳密度呈下降趋势,集中分布在松嫩平原北部、东部和东南部地区,以富裕县东部、依安县中部、肇东县西部、扶余县西部等地区土壤有机碳密度下降幅度最大;(2)2015年松嫩平原农田表层土壤有机碳库总储量为233.63 Tg,比全国第二次土壤普查减少了32.62 Tg;(3)2015年松嫩平原农田表层土壤总固碳潜力为-32.7 TgC,呈现出"碳源"趋势,农田土壤单位面积固碳潜力平均值为-1.793×10~(-3)Tg/km~2。     

自然增温对南亚热带森林土壤微生物群落与有机碳代谢功能基因的影响

基于海拔高度下降气温上升的关系,将模拟的生态系统(含植物和土壤)从高海拔整体移位至低海拔地区,实现自然增温的效果。通过对自然增温条件下土壤环境因子及其相关理化性质的动态监测,结合磷脂脂肪酸分析与宏基因组学方法,测定土壤微生物群落结构以及与土壤有机碳分解相关基因丰度,探究自然增温对鼎湖山南亚热带山地常绿阔叶林土壤有机碳代谢的影响及其微生物学机制。结果表明:(1)增温处理显著改变了0—10 cm土壤温度与湿度:2016—2018年间土壤温度显著上升2.48℃,湿度显著下降23.93%。(2)增温处理下,干季土壤有机碳含量与湿季土壤硝态氮含量显著降低,其他土壤理化因子无显著变化。(3)增温处理下,干季和湿季土壤微生物群落结构发生改变,且湿季变化显著。土壤湿度是影响干季和湿季土壤微生物群落结构变化的主要因子,解释了干季50.2%的变异度与湿季79.2%的变异度。(4)宏基因组结果表示:增温抑制了干季山地常绿阔叶林土壤有机碳代谢基因丰度,增强了湿季山地常绿阔叶林土壤有机碳代谢基因丰度。以上结果表明,增温通过改变土壤微生物生物量和群落结构以及有机碳代谢相关功能基因的丰度,最终影响南亚热带山地常绿阔...