三叶草根系分泌物对多环芳烃微生物降解及加氧酶的影响

为揭示根际效应对多环芳烃降解的影响机制,建立恰当的植物-微生物联合修复模式,本研究向含有微生物及多环芳烃(芘和苯并\[a\]芘)的微宇宙中加入三叶草根系分泌物,分析其对多环芳烃降解的影响,研究降解过程中微生物加氧酶和16S rDNA基因拷贝数的变化,并对具有多环芳烃降解能力的微生物进行鉴定.结果表明： 分枝杆菌M1具有降解多环芳烃的能力;三叶草根系分泌物总有机碳(TOC)浓度为35.5 mg·L^-1时,芘和苯并\[a\]芘降解率明显提高,分枝杆菌加氧酶基因所占比例增加,表明其促进了分枝杆菌对芘和苯并\[a\]芘的降解;在降解过程中,加氧酶基因拷贝数明显增加,而16S rDNA数量增加不明显,表明前者与多环芳烃降解过程有关,而后者和微生物数量有关.三叶草根系分泌物使分枝杆菌加氧酶基因拷贝数明显增加,从而促进了分枝杆菌对多环芳烃的降解.
     

土壤中多环芳烃的微生物降解及土壤细菌种群多样性

利用室内模拟方法,研究中、低浓度多环芳烃(PAHs)污染土壤的微生物修复效果,阐明土壤微生物（接种和土著）与PAHs降解的关系.结果表明:投加PAHs高效降解菌可以促进土壤中PAHs的降解,2周内效果显著;典型PAHs降解的难易程度依据为：菲<蒽<芘<苯并(a)芘和屈;细菌种群丰度和多样性均与PAHs降解呈负相关关系,同一处理细菌种群结构随时间变化不大.对于中、低浓度PAHs原位污染土壤,增强土著菌的活性是提高土壤PAHs降解率的有效途径之一.     

玉米幼苗根际土壤微生物活性对芘污染的响应

用根际袋法土培试验研究了玉米幼苗根际与非根际土壤微生物量碳、微生物熵、代谢熵和土壤酶活性对不同芘污染水平(50、200、800mg·kg-1,记为T1、T2、T3)的响应差异。结果表明,较低浓度芘可适当的刺激玉米幼苗的生长,而较高浓度芘则抑制幼苗生长,其抑制作用随芘处理浓度的提高而增强;芘对玉米根系的影响要大于对茎叶的影响。玉米幼苗能够明显促进土壤中芘的去除。根际和非根际土壤中芘的去除率分别为56.67%-76.18%和32.64%-70.44%,根际土壤中芘的平均去除率比非根际土壤高16.06%。同处理中根际土壤芘含量显著低于非根际土壤,随着芘处理浓度的提高其差异更加显著。根际土壤微生物量碳、微生物熵、多酚氧化酶活性、脱氢酶活性和磷酸酶活性均高于非根际土壤,代谢熵低于非根际土壤,且其差异随芘处理浓度的提高而增大。在不同芘污染水平下,微生物量碳、微生物熵和脱氢酶活性根际和非根际土壤为T1T2T3,代谢熵为T3T2T1;多酚氧化酶活性根际土壤为T2T1T3,非根际土壤为T1T2T3;磷酸酶活性根际土壤为T3T1T2,非根际土壤为T1T2T3。土壤中残余芘含量与土壤微生物量碳、微生物熵、多酚氧化酶、脱氢酶和磷酸酶活性呈显著负相关,与代谢熵呈显著正相关。     

植物根系分泌物生态效应及其影响因素研究综述

植物根系分泌物的形成是植物体代谢过程中重要的生理现象,为“植物-土壤”体系物质周转的重要环节.研究植物根系分泌物对于了解陆地生态系统质能过程、碳氮收支平衡及提高生态系统的初级生产具有重要意义.本文从植物根系分泌物对植物生理性状、土壤微生物、土壤物质周转及有机污染物降解影响等4个方面对植物根系分泌物的生态效应进行综述,并从重金属含量、营养元素水平、土壤水分和光热条件、物种基因型、土壤微生物状况和外源有机污染物添加的角度综述了影响植物根系分泌物的因素,旨在对植物根系分泌物的生态效应和影响因素进行总结,并根据目前的研究现状,从研究对象、研究方法和效应评估方面进行了展望.     

电动修复过程中电压对土壤中芘降解及微生物群落的影响

电动-微生物修复是一种新型的有机污染土壤修复技术。本文研究了修复过程中电压对土壤中芘降解及微生物群落的影响。结果表明,在不同电压梯度处理下,土壤中的芘降解与土壤微生物群落组成在阳极区和阴极区呈现不同的分布特征。阳极区芘降解与电压呈显著的正相关(r=0.55,P0.01),在电压为2.0 V·cm-1时,阳极附近芘的降解率达到最高值(87.5%);阴极区芘的降解随着电压增大先升高后降低,电压为1.2 V·cm-1时阴极附近芘的降解率达到最高值(87.8%)。阳极区微生物活性和多样性与电压呈负相关;而阴极区微生物活性和多样性与芘降解的变化趋势相同。从芘的降解率和微生物群落结构来看,1.2 V·cm-1为本实验最合适的电压,该电压既保证了一定的电动氧化作用又促进了微生物发挥其最大的代谢降解能力。本研究为电动-微生物修复技术的调控提供了理论基础和技术方法。     

土壤有机质和外源有机物对甲烷产生的影响

对土壤有机质含量及组分、外源有机物和根系分泌对甲烷产生的影响作了综述。土壤产甲烷量和甲烷排放量随有机质含量增加而提高,与土壤中易矿化有机碳或沸水浸提有机碳含量呈显著相关。外源有机碳加入促进了土壤排放甲,刺激效果与外源有机碳的用量和组成有关。还原力强的有机物如纤维素和半纤维素较还原力弱的有机物如类脂和多糖能够产生更多的甲烷。甲醇、甲基化氨基酸等无其它微生物竞争利用的有机物能被产甲烷菌更多地转化成甲烷。植物根系分泌物也促进甲烷的产生,促进作用大小与植物种类及分泌物的数量和质量有关。外源有机物通过3种方式促进土壤甲烷产生;提高土壤的甲烷底物供应量,降低土壤氧化还原电位,刺激土壤原有有机碳的转化。     

马尾松(Pinus massoniana)人工林林窗对土壤不同形态活性有机碳的影响

研究了四川盆地低山丘陵区马尾松人工林不同大小林窗对表层土壤活性有机碳(水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化碳)含量、分配比例及碳库管理指数的影响。结果表明:(1)林窗下土壤微生物量碳含量与分配比例较林下土壤有所升高,而水溶性有机碳与易氧化碳含量及水溶性有机碳分配比例有所降低。(2)林窗大小显著影响林窗中心土壤活性有机碳含量与分配比例。随林窗面积增大,水溶性有机碳、微生物量碳与易氧化碳含量呈现较为一致的升高趋势;水溶性有机碳和微生物量碳分配比例也升高,易氧化碳分配比例先下降后升高,稳定态碳先升高后降低;总体表现为较大林窗(900—1225m2)微生物活性强,活性有机碳含量高,且有机碳库稳定性较好。(3)土壤碳库管理指数随林窗面积增大无显著变化,但与各形态活性有机碳含量及总有机碳含量显著相关,说明土壤碳库管理指数能够相对全面地反映林窗大小对土壤碳库的影响。     

喀斯特森林自然恢复中土壤微生物生物量碳与水溶性有机碳特征

2011年9月,采用空间代替时间方法,研究了贵州茂兰国家级自然保护区退化喀斯特森林自然恢复中土壤微生物生物量碳和水溶性有机碳特征.结果表明:研究期间,土壤微生物生物量碳含量、基础呼吸随土壤深度增加而减少,随自然恢复的进程而增加;微生物熵随土壤深度增加和恢复的进程增加;水溶性有机碳含量随土壤深度增加而减少,随自然恢复的进程表层土增加,下层先增加后减少;水溶性有机碳与有机碳的比值随土壤深度增加而增加,随自然恢复的进程而减少;土壤质量、有机碳的质与量随自然恢复的进程而提高,其中微生物量碳变化最大,而水溶性有机碳变化不显著.     

植物根系分泌物对土壤污染修复的作用及影响机理

生物修复是一种经济环保的土壤修复技术。根系分泌物是利用生物修复污染土壤过程中的关键物质,也是植物与土壤微生物进行物质交换和信息传递的重要载体,在植物响应污染物胁迫中扮演重要角色。研究植物根系分泌物对土壤污染修复的作用和影响机理,是深入理解植物和微生物环境适应机制的重要途径,对促进生物修复污染土壤有重要指导意义。从污染物胁迫对根系分泌物的影响、根系分泌物对土壤污染物环境行为的影响、根系分泌物在调控污染土壤中根际微生物群落结构和多样性中发挥的作用等几个方面综述了根系分泌物对土壤污染修复的影响及内在机制。研究结果表明,根系分泌物在降低重金属对植物的毒性、加速有机污染物降解等方面有非常重要的作用。根系分泌物对土壤微生物的丰度和多样性均有显著影响,其与根际微生物互作在土壤污染物的消减中发挥了重要的调控作用。在此基础上,提出了以往研究中的不足,并对污染物胁迫下根系分泌物未来研究的方向和趋势进行了展望。     

棉花根系分泌物对土壤速效养分和酶活性及微生物数量的影响

采用水培法收集棉花根系分泌物,在耕作1年的土壤中添加棉花根系分泌物,培养10 d后测定土壤中速效养分、酶活性及微生物数量.结果显示,(1)棉花根系分泌物能极显著提高土壤中速效K和速效P含量4.31%～15.03%和5.99%～24.31%(P<0.01);高浓度分泌物处理下速效N含量比对照显著提高11.39%(P<0.05),其它处理影响不显著;各浓度分泌物对土壤有机质含量均无显著影响.(2)各浓度棉花根系分泌物均使土壤中转化酶活性显著提高,且随分泌物浓度的增加而显著增强;低浓度分泌物能显著提高土壤中磷酸酶的活性,所有浓度处理对土壤脲酶活性均无显著影响.(3)中、高浓度的棉花根系分泌物能显著增加土壤中细菌的数量,低浓度的分泌物能显著增加土壤中真菌的数量,而不同浓度处理的土壤中放线菌的数量均无显著的变化.研究表明,棉花根系分泌物可通过促进土壤细菌及土壤真菌的繁殖来增强土壤转化酶和磷酸酶活性,提高土壤速效P、速效K及速效N含量,从而对棉花根际微环境产生深刻影响.     

芘对黑麦草根系几种低分子量有机分泌物的影响

植物根系释放分泌物与有机污染物的植物修复机制密切相关,研究具有有机污染物修复潜力植物在污染胁迫条件下的根系分泌物特征有助于揭示其修复机制.以多环芳烃修复研究中常用的黑麦草为材料(Lolium perenneL.)为材料,在营养液栽培方式下研究了在芘胁迫处理下,黑麦草根系几种低分子量有机物分泌特征.结果表明,黑麦草对芘具有较强的耐受能力,芘胁迫处理下,生物量无显著变化.黑麦草根系分泌的低分子量有机酸主要为草酸.3、6 mg/L和9 mg/L芘胁迫处理下,低分子量有机酸的组成无明显变化,但含量随芘胁迫处理浓度上升而显著增加(P＜0.05);总糖分泌量随着芘胁迫处理浓度升高而呈现先略微上升后下降的趋势,相对高峰值出现在芘胁迫处理浓度3 mg/L,但差异不显著;氨基酸分泌总量随着芘胁迫处理浓度的增加而显著增多,芘胁迫浓度在3、6 mg/L和9 mg/L时,根系氨基酸的分泌总量分别是空白的1.37、2.02倍和2.65倍,但根系分泌的氨基酸组成无明显变化,19种常见氨基酸分泌的数量变化情况却不相同,分泌量总体均随着芘胁迫处理浓度的提高而增加,其中苏氨酸、丝氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、组氨酸和鸟氨酸的分泌量显著增多,差异显著(P＜0.05).     

蚯蚓在植物修复芘污染土壤中的作用

采用盆栽试验法,研究了蚯蚓(Pheretima hupeiensis)在植物修复芘污染土壤中的作用。结果显示,试验浓度(20.24-321.42 mg/kg) 范围内,蚯蚓活动促进了芘污染土壤中修复植物黑麦草(Lolium multiforum)黑麦草的生长,其根冠比明显增大。添加蚯蚓72 d后,种植黑麦草的土壤中芘的去除率高达60.01%-86.26%,其平均去除率(74.66%)比无蚯蚓活动的土壤-植物系统(64.55%)提高10.11%,比无植物对照组(18.24%)提高56.42%。各种生物、非生物修复因子中,植物-微生物交互作用对芘去除的平均贡献率(51.75%)最为突出,比无蚯蚓活动时(44.94%)提高6.81%。说明蚯蚓活动可强化土壤-植物系统对土壤芘污染的修复作用。     

Decomposition of root exudates in soil

The conversion of synthetic root exudates, i.e. of a mixture of amino acids, organic acids and sugars, added to soil in a single dose or continuously, was studied. After the addition of a single dose, the root exudates were gradually mineralized and after 76 hours, 85% of carbon had been released in the form of carbon dioxide. The extent and rate of mineralization was not influenced by the simultaneous addition of ammonium phosphate. The continuous addition of substrate formed a model artificial rhizosphere. In the steady state, 93% of the carbon in the added substrate was mineralized to carbon dioxide. The conversion of organic acids, sugars and amino acids and the mineralization of nitrogen was studied simultaneously by chromatography. In soil continuously enriched with root exudates, phenomena similar to the rhizosphere effect in nature were observed both in the numbers of microorganisms and in the relative incidence of the nutritional groups of bacteria.     

根系分泌物C∶N对刺槐林地土壤理化特征和土壤呼吸的影响

为探究根系分泌物C∶N对土壤养分循环及微生物活性的影响,本研究以黄土高原人工刺槐林为对象,在生境条件基本一致的15、25、35、45 a刺槐林地取原位土壤,通过模拟不同C∶N的根系分泌物(只添加N、C∶N=10、C∶N=50、C∶N=100和只添加C)添加至土壤,以去离子水作为对照,分析根系分泌物C∶N对土壤碳、氮、磷、pH值等理化特征和土壤呼吸的影响。结果表明: 1)有机碳含量与根系分泌物C∶N呈正相关,根系分泌物C∶N=10时土壤有机碳(SOC)分解较快,高根系分泌物C∶N(C∶N=100)能延缓SOC分解,而只添加C处理对SOC无显著影响。2)不同C∶N根系分泌物处理对全氮的影响不明显,碳添加能促进微生物对铵态氮的吸收,氮添加能促进铵态氮的硝化,随着根系分泌物C∶N增加,土壤中铵态氮含量下降。3)氮添加会导致土壤pH值下降,增加土壤全磷含量。4)刺槐林地土壤呼吸值与根系分泌物C∶N呈正相关,随着C∶N增加,根系分泌物对25和35 a人工刺槐林土壤呼吸的促进作用更显著。综上,根系分泌物C∶N值越高,对人工刺槐林土壤呼吸的促进作用越显著。研究结果进一步加深了对森林根系-土壤-微生物互作过程的认识。     

植物对水中菲和芘的吸收

以菲和芘为多环芳烃（PAHs）代表物,采用水培体系研究了黑麦草（Lolium multiflorum Lam）对水中PAHs的吸收作用,重点研究了植物吸收菲和芘的时间动态.水中菲和芘起始浓度分别为1.00mg/L和0.12mg/L.0～288h内,黑麦草根和茎叶中菲和芘含量均先快速增加而后降低,积累量不断增大,植物根系和茎叶富集系数则先快速升高而后趋于稳定.茎叶中菲和芘含量、茎叶对菲和芘的富集系数比根低1～3数量级,积累量也明显小于根系.黑麦草根系对水中芘有更强的富集能力,其根系富集系数比菲大85%～179%;而其茎叶对菲的富集作用则略强.菲和芘在植物体内有明显的传导作用.0～288h,传导系数（TF）先显著升高而后趋于恒定;但实验条件下,菲和芘的TF值均很小,分别不高于0.031和0.009,且芘的TF值明显小于菲,表明供试植物对芘的传导能力更弱.     

两种典型土壤胶体对镉的生物有效性的影响

采用黑麦草盆栽试验,研究了人工Cd污染(10.91mg·kg-1)黄棕壤和红壤(简称原土)及其胶体组分(简称胶体)和去胶后组分(简称去胶)Cd的生物有效性,并研究了EDTA对Cd解吸和生物有效性的影响.结果表明:(1)各处理黑麦草株高、地上部干重、根干重、总生物量都表现为胶体＞原土＞去胶,胶体上总生物量分别是原土和去胶处理的(1.31±0.02)倍和(1.82±0 21)倍.(2)黑麦草体内Cd浓度、及其对Cd的富集系数都表现为胶体＜原土＜去胶,表明胶体中Cd的生物有效性＜原土＜去胶.(3)黄棕壤各组分Cd的解吸率分别表现为胶体和原土约为0,去胶组分为(10.5±3.5)%,红壤各组分平均为(20.8±1 9)%,但加入EDTA则明显增加了Cd的解吸,导致黑麦草体内Cd浓度显著增加,黑麦草地上部干重、根干重、总生物量降低.EDTA对Cd的活化作用表现为去胶＞原土＞胶体,黄棕壤＞红壤,EDTA对各处理植株Cd总量的影响与此吻合.这说明,土壤镉的生物有效性受土壤胶体及其pH等的强烈影响.     

Root exudates modify bacterial diversity of phenanthrene degraders in PAH-polluted soil but not phenanthrene degradation rates

To determine whether the diversity of phenanthrene‐degrading bacteria in an aged polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) contaminated soil is affected by the addition of plant root exudates, DNA stable isotope probing (SIP) was used. Microcosms of soil with and without addition of ryegrass exudates and with ¹³C‐labelled phenanthrene (PHE) were monitored over 12 days. PHE degradation was slightly delayed in the presence of added exudate after 4 days of incubation. After 12 days, 68% of added PHE disappeared both with and without exudate. Carbon balance using isotopic analyses indicated that a part of the ¹³C‐PHE was not totally mineralized as ¹³CO₂ but unidentified ¹³C‐compounds (i.e. ¹³C‐PHE or ¹³C‐labelled metabolites) were trapped into the soil matrix. Temporal thermal gradient gel electrophoresis (TTGE) analyses of 16S rRNA genes were performed on recovered ¹³C‐enriched DNA fractions. 16S rRNA gene banding showed the impact of root exudates on diversity of PHE‐degrading bacteria. With PHE as a fresh sole carbon source, Pseudoxanthomonas sp. and Microbacterium sp. were the major PHE degraders, while in the presence of exudates, Pseudomonas sp. and Arthrobacter sp. were favoured. These two different PHE‐degrading bacterial populations were also distinguished through detection of PAH‐ring hydroxylating dioxygenase (PAH‐RHD_α) genes by real‐time PCR. Root exudates favoured the development of a higher diversity of bacteria and increased the abundance of bacteria containing known PAH‐RHD_α genes.     

Phytoremediation of pyrene in a Cecil soil under field conditions

We evaluated the effects of annual ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) and phosphorus (P) availability on the dissipation of pyrene added at a concentration of approximately 600 mg kg-1 dry soil in the top 7.5 cm of a Cecil loamy sand (fine, kaolinitic, thermic Typic Kanhapludults) in a 10-month experiment under field conditions in Clemson, South Carolina. Plastic canopies were installed to prevent flooding of plots and raindrop dispersion of pyrene. Treatment factors were pyrene, vegetation, and available P levels. Each of the eight treatments had four replicates. The soil was adjusted to low and high P concentrations (an average of 41 and 66 kg extractable P ha-1, respectively). After a 175-d lag period for all treatments, the rate of pyrene removal followed first-order kinetics. The first-order rate constant was significantly higher in nonvegetated (0.098 d-1) than vegetated treatments (0.034 d-1). These data suggest that the presence of easily biodegradable organic matter from plant roots slowed the removal rate of pyrene. The levels of available P did not affect the rate of pyrene dissipation. Pyrene decreased below the detection limit of 6.25 mg kg-1 dry soil in all treatments after 301 d.     

Autoinhibition and soil allelochemical (cyclic dipeptide) levels in replanted Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) plantations

Aims and background

Despite increasing knowledge of the role of allelochemicals in the productivity decline of replanted Chinese fir plantations, relatively little is known about the levels and sources of allelochemicals in relation to autoinhibition.

Methods

Allelopathic potential of litter, root exudates, and soils in successive rotations of Chinese fir plantations were detected. An allelochemical cyclic dipeptide (6-hydroxy-1,3-dimethyl-8-nonadecyl-[1,4]-diazocane-2,5-dione) from litter, root exudates, and soils in successive rotations was quantified.

Results

Extracts of leaf litter, fine root, and root exudates significantly inhibited the growth of Chinese fir germinants, and inhibition increased with successive rotations. Similar results were observed in the rhizosphere soil, basal soil, and bulk soil. The largest observed inhibition occurred in the rhizosphere soil. Furthermore, cyclic dipeptide was found in litter, root exudates, and soils, and the concentrations increased with successive rotations. The rhizosphere soil had the highest cyclic dipeptide level, followed by basal soil, while bulk soil contained the lowest concentration. There was a significant positive relationship between the inhibition of radicle growth of Chinese fir germinants and the concentration of cyclic dipeptide. Annual release of cyclic dipeptide through root exudation was 2.08–9.78 mol ha^?1 annum, but the annual release of cyclic dipeptide through leaf litter decomposition was lowered to 0.32–1.41 mol ha^?1 annum.

Conclusions

Cyclic dipeptide which caused autoinhibition of Chinese fir may be released into the soil through litter decomposition and root exudation. Root exudates provided more contributions to soil cyclic dipeptide levels than litter in Chinese fir plantations.