重金属污染土壤植物修复中的微生物功能研究进展

综述了国内外在重金属污染土壤植物-微生物联合修复领域的研究报道,总结了近5年的研究实例。植物-微生物联合修复体系具有生物固定与生物去除土壤重金属的两种功能,根际微生物可以菌根、内生菌等方式与根系形成联合体,通过增强植物抗性和优化根际环境,促进根系发展,增强植物吸收和向上转运重金属的能力。建立植物-微生物联合修复体系,可充分发挥植物与微生物作用功能的优势,提高污染土壤的修复效率。增强植物修复体系中微生物功能的重点是深入研究根际微生物、根系和介质载体三者之间复合功能,结合污染土壤类型与植物群落配置的特点筛选扩繁高效菌种与菌群。     

鄱阳湖溶解态重金属空间分布格局及风险评估

采用ICP-MS定量研究了鄱阳湖溶解态重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn空间分布特征,并对其引起的健康风险进行了评价。结果表明,鄱阳湖溶解态As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的水平均符合国家Ⅰ、Ⅱ类饮用水质标准;鄱阳湖溶解态重金属的空间分布格局为As和Cr在整体上呈现北部大于南部,Cu为北部和南部高,中部低,Pb和Zn均呈现南部大于北部,而Cd的空间分布规律不明显。风险评估结果显示,鄱阳湖As、Cd、Cu、Pb和Zn的风险水平小于国际辐射防护委员会(International Commission on Radiation Protection;ICRP)的推荐值(5×10~(-5)a~(-1)),但是Cr的风险水平(4.74×10~(-5)a~(-1))接近了ICRP推荐值,且由As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn引起的健康总风险达到了5.88×10~(-5)a~(-1),超过了ICRP推荐值。鄱阳湖由Cr和As引起的健康风险之和占总风险比例达到99.72%,是主要的健康污染物,需引起风险决策部门的重视。     

禾草内生真菌对其它微生物的影响研究进展

禾草内生真菌在宿主植物的茎叶等地上组织中普遍存在,不仅能够提高禾草对生物与非生物逆境的抗性,而且能够对周围环境中的不同微生物类群产生影响。主要总结了禾草Neotyphodium/Epichlo内生真菌对病原真菌、丛枝菌根真菌和土壤微生物的影响及其作用机理。发现禾草内生真菌普遍存在对病原真菌的抑制作用,而对丛枝菌根真菌存在不对称的竞争作用,且因种类而异。禾草内生真菌对土壤微生物群落的作用则会随着土壤类型和时间等外界因素发生变化。禾草内生真菌对不同类群微生物的影响机制主要包括:通过生态位竞争、抑菌物质分泌、诱导抗病性等对病原真菌造成影响;通过根系化学物质释放、营养元素调节、侵染条件差异等对丛枝菌根真菌造成影响;通过根际沉积物和凋落物等对土壤微生物群落造成影响。禾草内生真菌产生的生物碱能提高宿主植物对包括昆虫在内草食动物采食的抗性,影响病原菌的侵入、定殖和扩展;根组织分泌物中包含次生代谢产物能够抑制菌根真菌、土传病原真菌及其它土壤微生物的侵染与群落组成;也可能通过次生代谢物影响禾草的其它抗性。因此,禾草内生真菌在植物-微生物系统中的作用应该给予更多的关注和深入研究。     

放线菌Act12与腐植酸钾配施对丹参生长及其根域微生态的影响

探讨生防放线菌菌剂与腐植酸钾配施对丹参生长及其根域微生态的影响。以常规移栽处理为对照,研究小区试验中放线菌菌剂与腐植酸钾不同配施比例下对丹参生长、产量及抗根结线虫侵染的影响;并采用稀释平皿涂抹法测定丹参根区土壤、根表土壤、根外土壤及根系中细菌(B)、真菌(F)与放线菌(A)的数量,同时对优势细菌、真菌和放线菌进行了分子生物学鉴定,研究放线菌菌剂与腐植酸钾配施处理下丹参根域微生态变化。研究结果表明:1配施能增强菌剂对丹参的促生效果。菌剂与腐植酸钾配施T20处理丹参出苗率较对照提高8.7%,收获时的死亡率较对照减少39.0%;茎叶鲜质量、根鲜质量、单株根鲜质量、根干质量以及单株根干质量分别较对照增加6.1%、28.6%、11.1%、36.3%以及9.0%。2可以调整丹参植株根域土壤微生态平衡,降低有害微生物数量,增加有益微生物数量,改善微生物区系。在丹参根表土壤中,菌剂与腐植酸钾配施处理B/A值较对照降低78.4%,A/F值较对照增加95.0%。在丹参根系内,菌剂与腐植酸钾配施处理细菌数量较对照增加195.0%,未检测到真菌和放线菌存在。3在放线菌处理丹参根区、根表土壤中,有6株优势菌可能对丹参生长及抗病有益:3株优势细菌分别为硝基愈疮木胶节杆菌(Arthrobacter nitroguajacolicus)、放射型根瘤菌(Rhizobium radiobacter)和弗雷德里克斯堡假单胞菌(Pseudomonas frederiksbergensis);3株优势放线菌分别为淀粉酶产色链霉菌(Streptomyces diastatochromogenes)、砖红链霉菌(S.lateritius)和卡伍尔链霉菌(S.cavourensis)。有2株优势菌疑为有害微生物:优势细菌为耐寒短杆菌(Brevibacterium frigoritolerans),优势放线菌为肿痂链霉菌(S.turgidiscabies)。这2种菌对其他作物的有害作用已有报道。4对丹参根结线虫侵染有强烈抑制作用,可使田间根结线虫侵染率降低49.3%。生防放线菌与腐植酸钾配施处理后能明显促进丹参生长,提高丹参产量及抗病虫能力,调节丹参根域微生态平衡。     

土壤动物多样性及其生态功能

土壤无脊椎动物生物量通常小于土壤生物总生物量的10%,但它们种类丰富,取食行为及生活史策略多种多样,且土壤动物之间,土壤动物与微生物之间存在着复杂的相互作用关系。土壤动物的生态功能主要通过取食作用(trophic effect)和非取食作用(non-trophic effect)来实现。原生动物数量大、周转快,故原生动物本身的代谢活动(即取食作用)对碳氮矿化的贡献可以接近甚至超过细菌的贡献;然而大多数中小型土壤动物的本身代谢过程对碳氮矿化的贡献远低于土壤微生物,但它们可以通过取食作用来调节微生物进而影响碳氮的矿化。大型节肢动物中的蜘蛛和地表甲虫等捕食者经常活跃于地表,它们常常会通过级联效应对土壤生态系统产生重要的影响。蚯蚓、白蚁等大型土壤动物除可以通过取食作用以外,还可以通过非取食作用调控土壤微生物,进而显著影响土壤碳氮过程。土壤动物取食行为的多样性和复杂的非营养关系的存在造就了多维度的土壤食物网,给土壤动物的生态功能研究带来了巨大的挑战。介绍了土壤动物的多样性及主要的生态功能,并对研究的热点和前沿问题进行了探讨,以期引起关于土壤动物多样性及其生态功能的深入思考。     

环境DNA技术在地下生态学中的应用

地下生态过程是生态系统结构、功能和过程研究中最不确定的因素。由于技术和方法的限制,作为"黑箱"的地下生态系统已经成为限制生态学发展的瓶颈,也是未来生态学发展的主要方向。环境DNA技术,是指从土壤等环境样品中直接提取DNA片段,然后通过DNA测序技术来定性或定量化目标生物,以确定目标生物在生态系统中的分布及功能特征。环境DNA技术已成功用于地下生态过程的研究。目前,环境DNA技术在土壤微生物多样性及其功能方面的研究相对成熟,克服了土壤微生物研究中不能培养的问题,可以有效地分析土壤微生物的群落组成、多样性及空间分布,尤其是宏基因组学技术的发展,使得微生物生态功能方面的研究成为可能;而且,环境DNA技术已经在土壤动物生态学的研究中得到了初步应用,可快速分析土壤动物的多样性及其分布特征,更有效地鉴定出未知的或稀少的物种,鉴定土壤动物类群的幅度较宽;部分研究者通过提取分析土壤中DNA片段信息对生态系统植物多样性及植物分类进行了研究,其结果比传统的植物分类及物种多样性测定更精确,改变了以往对植物群落物种多样性模式的理解。同时,环境DNA技术克服传统根系研究方法中需要洗根、分根、只能测定单物种根系的局限,降低根系研究中细根区分的误差,并探索性地用于细根生物量的研究。主要综述了基于环境DNA技术的分子生物学方法在土壤微生物多样性及功能、土壤动物多样性、地下植物多样性及根系生态等地下生态过程研究中的应用进展。环境DNA技术对于以土壤微生物、土壤动物及地下植物根系为主体的地下生态学过程的研究具有革命性意义,并展现出良好的应用前景。可以预期,分子生物学技术与传统的生态学研究相结合将成为未来地下生态学研究的一个发展趋势。     

蚯蚓作用下污泥重金属形态变化及其与化学生物学性质变化的关系

城市污泥处理是一项世界性难题,污泥农业利用是其最简单有效的资源化利用方式之一,但污泥中较高的重金属含量限制了其实际推广应用,利用蚯蚓-超富集植物联合修复污泥重金属的方法已引起国内外研究者的关注。以新鲜城市脱水污泥为研究对象,接种赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)进行室内培养试验,系统研究蚯蚓作用下污泥重金属形态的变化,及其与污泥氧化还原条件、化学和微生物性质变化的关系,以期为蚯蚓-超富集植物联合修复技术在污泥重金属处理中的应用提供理论依据。结果表明,试验前期蚯蚓在污泥中能正常生长和存活,前20 d总生物量增加了52%。蚯蚓可以显著促进污泥中的Cu、Zn、Cd、Ni等重金属从残渣态和铁锰态等稳定形态向交换态和水溶态等有效形态转化。还可以显著降低污泥中还原性物质的含量,减缓p H值下降速度,降低总有机碳含量,促进铵态氮向硝态氮转化,减少污泥微生物的数量并增加其种群活性。蚯蚓作用下,污泥中重金属的活化程度与还原性物质的含量呈显著负相关,而与微生物种群的活性呈显著正相关(P0.05)。综上所述,蚯蚓可以促进污泥重金属的活化,并改善污泥的肥力条件,为修复植物在污泥中的正常生长和对重金属离子的快速吸收提供有利条件。     

磷肥输入对稻田土壤剖面胶体磷含量的影响

磷肥管理与土壤磷素赋存息息相关,选取杭嘉湖地区典型稻田定位实验,研究磷肥输入下稻田土壤剖面胶体磷含量的变化,分析不同施肥管理下胶体磷在土壤中的分布规律。结果表明,(1)胶体磷是磷素在土壤中赋存的重要形式,能够占到土壤胶体溶液(1μm)总磷的85%以上,土壤全磷的0.1%—2%;(2)磷肥施用增加了土壤胶体磷含量,特别是在有机肥处理下0—5 cm土壤胶体磷含量达到了8.0 mg/kg;(3)随着土壤深度的增加,胶体磷含量减少,有机肥输入下对深层土壤胶体磷含量的影响较无机肥明显;(4)水稻收割后表层土壤胶体磷含量与油菜收割后相比减少明显,0—5 cm土壤胶体磷含量减少了90%左右,但有机肥施用下胶体磷含量减少较小;(5)水稻收割后30—60 cm土壤胶体磷含量有所增加,可能与胶体磷发生的纵向迁移有关。了解磷肥输入对稻田土壤剖面胶体磷含量的影响,为研究土壤磷素赋存形态及迁移变化提供科学依据,对有效评估胶体磷的环境风险起到指导作用。     

一氧化氮对植物重金属胁迫抗性的影响研究进展

一氧化氮(NO)作为一种重要的信号分子,在调节植物重金属胁迫抗性方面上起着非常重要的作用。综述了NO在植物体内的产生途径,重金属胁迫下植物体内内源NO含量的变化以及外源NO与内源NO对植物重金属胁迫抗性的影响。大量研究表明外源NO能够增强植物对重金属胁迫的抗性,一方面是通过增强植物细胞的抗氧化系统或直接清除活性氧,另一方面是通过影响植物对重金属的吸收以及重金属在植物细胞内的分布。然而内源NO在调节植物重金属胁迫抗性上的功能角色仍存在争议。有些研究表明内源NO是有益的,能够缓解重金属胁迫诱导的毒性;但是也有证据表明内源NO是有害的,能够通过促进植物对重金属的吸收以及对植物螯合素进行S-亚硝基化弱化其解毒功能,从而参与重金属诱导的毒害反应和细胞凋亡过程。     

温带针阔混交林土壤碳氮气体通量的主控因子与耦合关系

中高纬度森林地区由于气候条件变化剧烈,土壤温室气体排放量的估算存在很大的不确定性,并且不同碳氮气体通量的主控因子与耦合关系尚不明确。以长白山温带针阔混交林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法连续4a(2005—2009年)测定土壤二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)净交换通量以及温度、水分等相关环境因子。研究结果表明:温带针阔混交林土壤整体上表现为CO2和N2O的排放源和CH4的吸收汇。土壤CH4、CO2和N2O通量的年均值分别为-1.3 kg CH4hm-2a-1、15102.2 kg CO2hm-2a-1和6.13 kg N2O hm-2a-1。土壤CO2通量呈现明显的季节性规律,主要受土壤温度的影响,水分次之;土壤CH4通量的季节变化不明显,与土壤水分显著正相关;土壤N2O通量季节变化与土壤CO2通量相似,与土壤水分、温度显著正相关。土壤CO2通量和CH4通量不存在任何类型的耦合关系,与N2O通量也不存在耦合关系;土壤CH4和N2O通量之间表现为消长型耦合关系。这项研究显示温带针阔混交林土壤碳氮气体通量主要受环境因子驱动,不同气体通量产生与消耗之间存在复杂的耦合关系,下一步研究需要深入探讨环境变化对其耦合关系的影响以及内在的生物驱动机制。