模拟氮沉降降低亚热带米槠天然林土壤氧化亚氮排放潜势

我国亚热带地区大气氮沉降量逐年上升,对森林土壤生物地球化学循环造成严重影响。本研究设置了对照(不添加氮)、低氮(40 kg·hm^-2·a^-1)和高氮(80 kg·hm^-2·a^-1)处理,分析了亚热带米槠天然林土壤反硝化功能基因丰度和N₂O排放潜势对氮沉降的响应。结果表明: 高氮处理显著降低土壤N₂O排放潜势。长期(8年)氮沉降对nirS、nirK、nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ基因丰度均无显著影响,但nosZ Ⅰ丰度均显著高于nosZ Ⅱ丰度,表明nosZ Ⅰ在酸性森林土壤中占主导。与对照相比,高氮处理显著降低(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值。(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值与土壤pH值呈显著正相关。长期高氮沉降可能通过降低土壤pH值使得土壤(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值下降,从而降低森林土壤N₂O排放潜势。     

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^-2·a^-1,LN)和高氮(添加80 kg N·hm^-2·a^-1,HN)。结果表明: 8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。     

纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)在微生物生态学研究中的应用

超高分辨率显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)具有较高的灵敏度和离子传输效率、极高的质量分辨率和空间分辨率(＜ 50 nm),代表着当今离子探针成像技术的最高水平.利用稳定性或者放射性同位素在原位或者微宇宙条件下示踪目标微生物,然后将样品进行固定、脱水、树脂包埋或者导电镀膜处理,制备成可供二次离子质谱分析的薄片,进一步通过NanoSIMS成像分析,不仅能够在单细胞水平上提供微生物的生理生态特征信息,而且能够准确识别复杂环境样品中的代谢活跃的微生物细胞及其系统分类信息,对于认识微生物介导的元素生物地球化学循环机制具有重要意义.介绍了纳米二次离子质谱技术的工作原理和技术路线,及其与同位素示踪技术、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光原位杂交技术(FISH)、催化报告沉积荧光原位杂交技术(CARD-FISH)、卤素原位杂交技术(Halogen In Situ Hybridization,HISH)等联合使用在微生物生态学研究方面的应用.     

联合固氮菌叶面接种剂的优化及其在玉米叶际的定殖

【背景】联合固氮菌由于不具有宿主专一性,在土壤、叶际中广泛存在,对生态系统氮素供应有着重要贡献,它还可以通过分泌生长激素等间接作用促进植物生长,可作为重要的农业生产菌剂。土壤接种剂由于受土著微生物的竞争和土壤抑菌物质等的影响,接种效果不稳定,难以推广使用。相比于土壤环境,叶际生境相对简单且表面积巨大,进行叶际接种是固氮菌剂推广应用的一个新思路。【目的】优化联合固氮菌菌株W12接种添加剂,制备液体接种剂并研究其在玉米叶际的定殖效果。【方法】对菌株W12进行菌落PCR测序,构建系统发育树并确定分类地位。分别在培养液中添加不同浓度梯度的羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose,CMC)和甘油(Glycerol,Gly),测量菌株W12生长曲线和固氮酶活性,优化添加剂浓度并制备液体接种剂,对接种剂的有效保存时间进行检测。将接种剂喷洒到玉米叶际,测量其对玉米产量和植株含氮量的影响,并通过低氮培养基进行回收计数。【结果】固氮菌菌株W12的16S r RNA基因序列与变栖克雷伯氏菌(Klebsiella variicola)的相似性高达99%,在培养液中添加CMC和甘油对菌株W12的生长无明显促进和抑制效果,但均提高了固氮酶活性。添加甘油制备的接种剂在盆栽和大田玉米叶面喷施后,在玉米生长末期叶际回收到的W12类似菌分别为4.3×105 CFU/g叶片和1.7×105 CFU/g叶片,显著高于未接种的处理;而且大田玉米籽粒、茎部和叶片的含氮量高于不接种的对照处理。经过90 d贮藏后,4°C保存的接种剂剩余活菌数均高于1.0×108 CFU/m L。【结论】羧甲基纤维素和甘油的添加不仅有利于固氮菌液体接种剂在叶片的附着,并能显著提高联合固氮菌菌株W12的固氮酶活性,低温冷藏可保证液体接种剂的有效活菌数;液体接种剂在玉米叶际喷施后,菌株W12能够成功定殖,并显著提高玉米植株和籽粒含氮量。研究结果为固氮菌叶面接种剂的制备和应用,以及实现农业氮肥减施保产的目标提供了借鉴意义。     

不同放牧强度下土壤氨氧化和反硝化微生物的变化特征

土壤硝化及反硝化功能微生物在氮素可利用性、硝酸盐淋溶和氧化亚氮温室气体排放等方面起着关键作用,在指示不同放牧强度对生态系统的影响及预测草地生态系统退化状况等方面具有重要意义。以内蒙古干旱半干旱草原不同放牧强度(轻度、中度和重度)的长期试验样地为对象,应用定量PCR和限制性末端片段长度多态性(Terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)的方法,研究土壤氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和反硝化细菌的丰度、群落结构和多样性对不同放牧强度的响应。结果表明,土壤p H和铵态氮含量分别在7.90—8.18和6.37—35.92 mg/kg之间,中度放牧处理显著增高了土壤pH(P=0.03),而铵态氮含量在重度放牧处理中最高(P=0.02)。不同放牧强度下土壤异养呼吸相比未放牧处理均显著降低(P=0.02)。土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度范围分别为每克干土(4.94—7.60)×10~9个拷贝数和(0.68—3.75)×10~6个拷贝数,放牧处理对AOA-amoA基因丰度无显著影响,中度放牧处理显著降低了AOB-amoA基因丰度(P=0.04);反硝化微生物nosZ基因丰度随在轻度放牧处理中最低(P=0.03)。土壤铵态氮含量是影响AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度的主要因子,而nosZ基因丰度主要受反硝化底物含量及土壤通气状况的影响。冗余分析表明由放牧所引起的可利用性氮含量的变化是导致氨氧化和反硝化微生物群落结构显著变化的主要因素。     

厌氧铵氧化过程中关键酶及相关分子标记在生态学研究中的应用进展

厌氧铵氧化是由微生物介导的氮素循环过程中的重要途径之一。近20年来,通过对厌氧铵氧化细菌生态学、基因组学和生理代谢特性的探索,人们对其微生物学机制已经有了较多的认识:厌氧铵氧化细菌通过亚硝酸盐还原酶将亚硝酸根离子还原为一氧化氮,进而与铵离子结合在联氨合成酶的作用下生成联氨,最后通过联氨氧化酶的催化产生终产物氮气。同时,对参与这些过程的关键酶及其功能基因的认识有助于选择新的分子标记,从而为研究厌氧铵氧化细菌的多样性和分子生态学特征提供新的工具,以弥补16S rRNA基因特异性相对较低且难以与生态功能关联等方面的不足。对目前已知的参与厌氧铵氧化过程的3种关键酶的研究历程和现状进行了评述,并总结了利用3种功能基因进行厌氧铵氧化细菌生态学研究的最新进展。     

病毒生态学研究进展

病毒是目前所知的最简单的生命单元,通常由外壳蛋白和包裹在外壳蛋白内的核酸两部分组成。病毒本身缺乏完整的酶系统及能量转化系统,当游离于环境中时,它只是一个有机大分子,只有侵染宿主后才具有生命特征,进行复制。病毒也是地球上最丰富的生物实体,是微生物群落和功能的重要影响因素。尽管病毒在生态系统中发挥着重要的作用,但因病毒间缺少通用的标记基因,病毒生态学的研究远远滞后于细菌和真核生物。近年来高通量测序技术的发展应用帮助人们发现和认识了许多未知的新病毒及其基因,极大地丰富了病毒基因数据库,直接推动了病毒生态学的发展。从生态学角度对病毒的结构与分类、病毒生态学研究方法、病毒的生态功能及土壤病毒生态学研究进展作一简要综述,并提出今后土壤病毒生态学研究的重点。     

长期施用猪粪对红壤完全氨氧化菌基因丰度的影响

完全氨氧化菌(comammox Nitrospira)的发现对硝化微生物的研究提出了新的挑战。大量研究表明完全氨氧化菌在陆地生态系统中广泛分布,但其在农田土壤中的分布规律及其对长期施用粪肥的响应尚不清楚。研究了长期施用猪粪对农田红壤完全氨氧化菌、氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)功能基因(amoA)丰度的影响,及其与土壤净硝化速率的关系。结果表明：与不施肥的对照处理相比,猪粪施用显著提高土壤有机质和养分含量,且随着猪粪的施用量增加而增加。同时,施用中量和高量猪粪显著提升土壤净硝化速率,增幅分别达到317%和416%。所有处理中,完全氨氧化菌丰度以进化枝A为主,进化枝B丰度极低,大多为非特异性扩增产物,但进化枝A的amoA丰度均低于氨氧化古菌和氨氧化细菌。长期施用高量猪粪显著提升进化枝A的amoA基因丰度,表明存在喜好富营养环境的完全氨氧化菌,而有效磷是最主要的影响因子。相关性分析表明,进化枝A的amoA丰度与净硝化速率呈显著正相关(P<0.01),而氨氧化古菌和氨氧化细菌则没有,表明进化枝A可能在长期施用粪肥的农田红壤硝化过程中发挥重要功能。综上所述,长期施用粪肥显著提高...     

土壤微生物生物地理学研究进展

生物地理学是研究生物（包括种群、群落等不同层次）地理分布格局及成因的一门交叉学科。微生物生物地理学的研究长期滞后于宏生物地理学。鉴于土壤微生物在调控生物地球化学过程和维持生态系统功能方面的重要作用,对其空间分布格局及形成机制的认识具有十分重要的理论和实际意义。随着分子生物学技术的发展,对微生物多样性的认知日益深入。越来越多的证据表明,土壤微生物群落结构和多样性具有一定的时空分布格局,从而对微生物全球性随机分布的传统观点提出了挑战。对当前土壤微生物生物地理学研究中的一些概念性问题,如微生物物种的定义、微生物多样性的定量测度、对微生物全球性随机分布的争论等,进行了系统评述;以微生物种-面积关系和距离-衰减关系为例对当前最新的土壤微生物生物地理学研究成果进行总结,并初步探讨了土壤微生物群落的地带性分布问题;在传统生物地理学理论的指导下,提出了一个可用于验证土壤微生物空间分布格局形成和机制维持的简单研究框架。这些对今后土壤微生物生物地理学的研究有一定借鉴和指导意义。     

土壤微生物群落构建理论与时空演变特征

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与几乎所有的土壤生态过程,在物质循环、能量转换以及污染物降解等过程中都发挥着重要作用。对土壤微生物时空演变规律及其形成机制的研究,不仅是微生物演变和进化的基础科学问题,也是预测微生物及其所介导的生态功能对环境条件变化响应、适应和反馈的理论依据。讨论了土壤微生物群落的定义、测度方法和指标,认为群落是联系动植物宏观生态学与微生物生态学的基础,群落构建机制是宏观和微观生态学都需要研究的核心科学问题;从生态学的群落构建理论出发,阐述了包括生态位理论/中性理论、过程理论和多样性-稳定性理论在土壤微生物时空演变研究中的应用,以及微生物群落在时间和空间上的分布特征及其尺度效应;确立了以微生物群落构建理论为基础、不同时空尺度下土壤微生物群落演变特征为主要内容的微生物演变研究的基本框架。