土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即: 改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题: 综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.     

红树林沉积物中微生物驱动硫循环研究进展北大核心CSCD

红树林滨海湿地是在周期性咸水、淡水作用下形成的特殊生态系统,其沉积物中有机质含量丰富,微生物驱动的营养物质循环活跃。由于红树林沉积物中硫酸盐含量高、硫化物种类多,因此红树林是研究硫元素生物地球化学循环过程和机制的理想系统。本文综述了红树林生态系统中主要的硫元素循环过程,重点总结了硫氧化和硫酸盐还原过程及其功能微生物,分析了影响硫氧化和硫酸盐还原的主要环境因素,并对红树林沉积物中微生物驱动硫循环的重点研究方向进行了展望。鉴于微生物驱动的硫循环过程耦合碳、氮和金属元素循环,本文可为深入探究微生物驱动的生物地球化学元素循环耦合机制提供参考。     

红树林沉积物中微生物驱动硫循环研究进展

红树林滨海湿地是在周期性咸水、淡水作用下形成的特殊生态系统,其沉积物中有机质含量丰富,微生物驱动的营养物质循环活跃。由于红树林沉积物中硫酸盐含量高、硫化物种类多,因此红树林是研究硫元素生物地球化学循环过程和机制的理想系统。本文综述了红树林生态系统中主要的硫元素循环过程,重点总结了硫氧化和硫酸盐还原过程及其功能微生物,分析了影响硫氧化和硫酸盐还原的主要环境因素,并对红树林沉积物中微生物驱动硫循环的重点研究方向进行了展望。鉴于微生物驱动的硫循环过程耦合碳、氮和金属元素循环,本文可为深入探究微生物驱动的生物地球化学元素循环耦合机制提供参考。     

红树林湿地硫酸盐还原菌的多样性及其参与驱动的元素耦合机制

红树林生态系统是热带和亚热带地区重要的滨海湿地,具有营养物质形态多样化和高效动态变化的特征,是驱动碳、氮、硫等元素循环的热区。硫酸盐还原菌(sulfate-reducing prokaryotes,SRPs)是地球最古老的微生物生命形式之一,在推动早期地球地质演化以及现代生物地球化学循环中发挥关键作用,但其在红树林湿地还缺乏全面深入研究。本文基于Genome Taxonomy Database中原核生物基因组的挖掘,系统总结了硫酸盐还原菌的类群,梳理了近年来国内外红树林中硫酸盐还原菌的分布情况及影响其分布的因素,分析了硫酸盐还原菌在红树林生态系统的碳、氮、硫及铁等元素地球化学循环中的作用,并对硫酸盐还原菌未来的研究方向进行了展望,以期为深入研究硫酸盐还原菌参与驱动的元素生物地球化学循环及其耦合机制提供参考。     

湖泊硫循环微生物研究进展

湖泊是响应气候和环境变化的关键生态系统,是研究元素(如碳、氮和硫等)生物地球化学循环的热点环境。湖泊(尤其咸盐湖)具有硫酸盐含量高且含硫化合物种类丰富的特点,因而湖泊中硫元素生物地球化学循环过程非常活跃。微生物是驱动湖泊硫循环的重要推手。因此,研究湖泊中微生物参与的硫元素生物地球化学循环过程以及相关微生物类群构成,对于深入探索微生物在湖泊生态系统中的作用具有重要意义。本文综述了湖泊中驱动硫循环的微生物(硫氧化菌和硫酸盐还原菌)种群多样性、功能基因、代谢途径、硫氧化/硫酸盐还原速率及其对环境条件变化响应等方面的研究现状,并对未来湖泊微生物驱动的硫循环研究方向进行了展望。     

微生物在地球化学铁循环过程中的作用

铁元素虽然只在地壳含量中位列第4,但却是地球上分布最广的变价金属元素之一,微生物介导的铁循环及其与生源要素碳、氮、氧和硫等耦合的氧化还原反应是微生物地球化学循环的重要驱动力.由于铁循环过程中氧化态三价铁Fe(Ⅲ)在环境p H条件下大多以不溶状态存在,因而由其参与的地球化学循环进程通常较为缓慢.研究表明,微生物在铁元素的地球化学循环过程中起着举足轻重的作用,并在该过程中参与矿物的生成与转化.近年来的最新研究发现,参与地球化学铁循环的微生物之间,微生物与矿物之间,以及矿物介导的微生物之间存在着多样的相互作用,而含铁矿物介导的微生物胞外电子传递机制是其中最受瞩目的研究热点.本文综述了微生物介导的地球化学铁循环过程的类型及其过程中的主导微生物,并针对铁还原过程中已知的微生物胞外电子传递机制做了介绍.文中涉及的微生物地球化学铁循环过程中的各种相互作用,已经成为相关研究领域的热点问题,最新研究结果将为进一步阐明微生物地球化学铁循环过程、机制及其环境效应提供重要的理论依据和研究基础.     

微生物厌氧氨氧化耦合铁还原的研究进展及展望

厌氧氨氧化耦合铁还原[ammonium oxidation coupled to Fe(Ⅲ) reduction, Feammox]作为一种连接氮循环和铁循环之间的氮代谢途径,在自然界中氨氮转化过程中起到了重要作用。系统研究Feammox驱动的氮铁的生物地球化学耦合过程及其受控因素,有助于深入理解地球元素循环的微生物机制,也有助于揭示Feammox在缺氧地质历史时期对古海洋氮库演变和含铁矿物形成过程中的作用。本文从Feammox发展历史、相关微生物、影响因素和潜在地质意义等方面综述了Feammox的研究过程和研究内容,并对Feammox的未来研究方向提出展望。     

稻田水氮氧环境因子对水稻生长发育、光合作用和氮利用的调控研究进展

水分和氮素是影响水稻生长发育的两个重要环境因子。适宜的水氮耦合模式可通过“以水调氮、以水控氧”调控稻田根际氮形态和溶氧量等环境因子,促进良好根系形态构建,提高叶片光合速率和光合产物“源-库”分配平衡,提高水稻群体质量和产量形成。同时,稻田水氮氧环境因子驱动的微生物调控机制在水稻-土壤系统氮高效利用方面也发挥重要作用。本文重点阐述了水氮耦合下水分、氮形态和溶氧量对水稻生长发育、光合作用、碳氮代谢、稻田氮转化过程及其微生物调控机制等方面的研究进展,展望并提出了未来亟待加强的研究方向:1)开展水氮耦合下水稻根际溶氧量时空动态分布特征及氧环境调控关键因子研究;2)明确不同基因型水稻根源信号增氧响应特征及其对水稻生长发育的影响调控机制;3)阐明根际氧环境驱动的关键微生物过程对稻田氮转化和氮素利用的影响。     

生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点.在系统介绍生态化学计量学与碳氮磷元素循环研究进展的基础上,重点从土壤C:N:P化学计量比的分布特征、指示作用、对碳固定的影响,以及人类活动对C:N:P比的影响等方面探讨了C:N:P比在养分限制、生物地球化学循环、森林演替与退化等领域中的应用等问题,并展望了生态系统碳氮磷平衡的元素化学计量学未来研究的发展方向.通过对生态化学计量学理论和方法的研究,可以深入认识植物-凋落物-土壤相互作用的养分调控因素,对于揭示碳氮磷元素之间的相互作用及平衡制约关系,为减缓温室效应提供新思路和理论依据,具有重要的现实意义.     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

Increased microbial functional diversity under long-term organic and integrated fertilization in a paddy soil

Microbes play key roles in diverse biogeochemical processes including nutrient cycling. However, responses of soil microbial community and functional genes to long-term integrated fertilization (chemical combined with organic fertilization) remain unclear. Here, we used pyrosequencing and a microarray-based GeoChip to explore the shifts of microbial community and functional genes in a paddy soil which received over 21-year fertilization with various regimes, including control (no fertilizer), rice straw (R), rice straw plus chemical fertilizer nitrogen (NR), N and phosphorus (NPR), NP and potassium (NPKR), and reduced rice straw plus reduced NPK (L-NPKR). Significant shifts of the overall soil bacterial composition only occurred in the NPKR and L-NPKR treatments, with enrichment of certain groups including Bradyrhizobiaceae and Rhodospirillaceae families that benefit higher productivity. All fertilization treatments significantly altered the soil microbial functional structure with increased diversity and abundances of genes for carbon and nitrogen cycling, in which NPKR and L-NPKR exhibited the strongest effect, while R exhibited the least. Functional gene structure and abundance were significantly correlated with corresponding soil enzymatic activities and rice yield, respectively, suggesting that the structural shift of the microbial functional community under fertilization might promote soil nutrient turnover and thereby affect yield. Overall, this study indicates that the combined application of rice straw and balanced chemical fertilizers was more pronounced in shifting the bacterial composition and improving the functional diversity toward higher productivity, providing a microbial point of view on applying a cost-effective integrated fertilization regime with rice straw plus reduced chemical fertilizers for sustainable nutrient management.

     

Applying population and community ecology theory to advance understanding of belowground biogeochemistry

Approaches to quantifying and predicting soil biogeochemical cycles mostly consider microbial biomass and community composition as products of the abiotic environment. Current numerical approaches then primarily emphasise the importance of microbe–environment interactions and physiology as controls on biogeochemical cycles. Decidedly less attention has been paid to understanding control exerted by community dynamics and biotic interactions. Yet a rich literature of theoretical and empirical contributions highlights the importance of considering how variation in microbial population ecology, especially biotic interactions, is related to variation in key biogeochemical processes like soil carbon formation. We demonstrate how a population and community ecology perspective can be used to (1) understand the impact of microbial communities on biogeochemical cycles and (2) reframe current theory and models to include more detailed microbial ecology. Through a series of simulations we illustrate how density dependence and key biotic interactions, such as competition and predation, can determine the degree to which microbes regulate soil biogeochemical cycles. The ecological perspective and model simulations we present lay the foundation for developing empirical research and complementary models that explore the diversity of ecological mechanisms that operate in microbial communities to regulate biogeochemical processes.     

水稻土中硫酸盐还原微生物研究进展

硫是水稻必需的营养元素之一.硫酸盐还原是硫元素生物地球化学循环中的关键步骤,在稻田土壤表层和水稻根际都十分活跃.介导硫酸盐还原过程的硫酸盐还原菌(sulfate- reducing bacteria, SRB)是稻田土壤中重要的功能菌群.它们不仅是硫元素生物地球化学循环的重要参与者,也是土壤中有机污染物降解的主要力量之一,发挥着重要的生态和环境功能.综述了稻田土壤中微生物参与的硫酸盐还原过程、SRB的生物多样性以及目前研究稻田土壤SRB主要采用的分子生态学方法,如末端限制性片段长度多样性(T-RFLP)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、实时荧光定量PCR(real-time PCR)、荧光原位杂交(FISH),并对水稻土壤中SRB的分子生态学研究方向进行了展望.     

Microbial mediation of biogeochemical cycles revealed by simulation of global changes with soil transplant and cropping

Despite microbes'' key roles in driving biogeochemical cycles, the mechanism of microbe-mediated feedbacks to global changes remains elusive. Recently, soil transplant has been successfully established as a proxy to simulate climate changes, as the current trend of global warming coherently causes range shifts toward higher latitudes. Four years after southward soil transplant over large transects in China, we found that microbial functional diversity was increased, in addition to concurrent changes in microbial biomass, soil nutrient content and functional processes involved in the nitrogen cycle. However, soil transplant effects could be overridden by maize cropping, which was attributed to a negative interaction. Strikingly, abundances of nitrogen and carbon cycle genes were increased by these field experiments simulating global change, coinciding with higher soil nitrification potential and carbon dioxide (CO₂) efflux. Further investigation revealed strong correlations between carbon cycle genes and CO₂ efflux in bare soil but not cropped soil, and between nitrogen cycle genes and nitrification. These findings suggest that changes of soil carbon and nitrogen cycles by soil transplant and cropping were predictable by measuring microbial functional potentials, contributing to a better mechanistic understanding of these soil functional processes and suggesting a potential to incorporate microbial communities in greenhouse gas emission modeling.     

湿地土壤硫氧化-还原过程及其与其他元素的耦合作用研究进展

湿地土壤硫(S)的氧化-还原过程是硫循环的重要环节,其对于维持湿地系统的稳定与健康具有重要意义.本文综述了湿地土壤S的氧化-还原过程及影响因素,并分析了其与其他元素耦合机制的研究进展.湿地土壤S氧化-还原过程的影响因素主要涉及生物因子(植物、微生物、底栖动物及人类活动等)和非生物因子(温度、水分和粒度等物理因素及pH、...     

Molecular underpinnings for microbial extracellular electron transfer during biogeochemical cycling of earth elements

Microbial extracellular electron transfer(EET) is electron exchanges between the quinol/quinone pools in microbial cytoplasmic membrane and extracellular substrates. Microorganisms with EET capabilities are widespread in Earth hydrosphere, such as sediments of rivers, lakes and oceans, where they play crucial roles in biogeochemical cycling of key elements, including carbon,nitrogen, sulfur, iron and manganese. Over the past 12 years, significant progress has been made in mechanistic understanding of microbial EET at the molecular level. In this review, we focus on the molecular mechanisms underlying the microbial ability for extracellular redox transformation of iron, direct interspecies electron transfer as well as long distance electron transfer mediated by the cable bacteria in the hydrosphere.     

大数据时代土壤微生物地理学研究综述

土壤蕴含极为丰富的微生物多样性,它们在物质分解、元素生物地球化学循环、植物生产力和生物健康中扮演着关键角色。理解土壤微生物的生物地理分布格局、形成机制与群落构建规则,有助于预测在全球变化背景下土壤微生物组的功能演变及其对陆地生态系统的调控影响。自21世纪以来,土壤微生物生物地理学在各种大型国际微生物计划的推动下逐步形成了分子生物学技术耦合大数据分析的模式,实现了多种尺度上的关联研究。阐述了土壤微生物在分布格局和群落构建规则方面的研究进展,重点介绍了分子生物学技术和大数据分析在土壤微生物生物地理研究中的应用,对土壤微生物生物地理学未来在微生物分类分辨率、模型验证与构建和功能基因地理学的发展方向进行了展望。     

稻作系统有机肥替代部分化肥的土壤氮循环特征及增产机制

采用有机肥替代部分化肥是实现化肥使用零增长和作物稳产增产的重要途径。基于近年来的研究进展,探讨了稻作系统有机肥替代部分化肥对水稻产量、氮素利用效率、土壤氮库组分和微生物固氮、氨化、硝化和反硝化等氮循环关键过程的影响。同时,就单施化肥与有机肥替代部分化肥的氮素循环特征进行了比较。有机肥替代部分化肥通过改变稻田土壤氮素循环多个环节(增强氨化过程、协调硝化和反硝化过程、降低氨挥发和减少氮素损失等),改善土壤氮素供给状态(提高小分子有机氮供给、协调无机氮组分与比例、提高土壤微生物量氮和总氮固持),进而促进水稻氮素吸收并协调植株氮素分配过程,最终实现水稻稳产增产。