冰川消退带微生物群落演替及生物地球化学循环

冰川是生物圈重要组分之一。由于全球气候变化世界多地冰川加速消融,暴露原本被冰盖覆盖的区域,这些区域被称为冰川消退区域(glacier retreat area)或冰川前部区域(glacier foreland)。自暴露开始消退区随即发生初生演替,随着演替进行,物质循环逐步建立,生物量和土壤C、N总量逐步增加。生态系统C、N输入最初以矿化外来物为主,逐渐转变为以生物固C、固N为主。演替早期生态系统的发育主要受土壤C、N含量的限制,而演替后期的限制性营养物转变为P。演替区域土壤逐渐发育并促进生态位的分化,细菌、真菌、古菌,病毒及其他微生物群落的生物量和多样性不断增加直至达到该地区可承受的极值。随着生存条件的改善,不同生态策略物种的更替导致每个演替阶段微生物群落结构的差异。整体上,伴随演替进行微生物群落丰度、结构和活性呈现梯度性变化。气候变化对冰川消退带生态演替结果产生多方面的影响,而这些影响结果又综合反馈气候变化,因此目前难以准确估计气候变化对消退带生态演替的净效应。综述了近年冰川消退带微生物群落演替方面相关的研究结果,同时分别对该区域物质循环的建立、微生物群落演替和气候变化造成的影响这三个方面进行详细描述,并指出当前研究的不足。     

大洋最小含氧带生物地球化学循环及微生物多样性研究进展

大洋的最小含氧带(oxygen minimum zones,OMZs)具有特殊的水动力和氧含量特征,该区域是氮流失的主要场所,也是各类生化反应发生的重要区域.OMZs的存在会对浮游生物的丰度、多样性、分布模式及呼吸方式产生较大影响.大洋OMZs中存在广泛的反硝化、厌氧氨氧化、甲烷厌氧氧化和隐性厌氧硫氧化作用等都是海洋物...     

深海微生物高压适应与生物地球化学循环

深海是典型的高压环境,嗜压微生物是深海生态系统中的重要类群.随着深海采样技术的发展及高压微生物特殊培养设备的开发,已从深海环境中分离到一系列嗜压微生物,包括一些常压环境不能生长的严格嗜压菌.对这些嗜压菌的研究,不仅对微生物适应极端高压环境的机制有一定了解,而且发现了一些特殊的代谢产物.研究微生物高压嗜压机理,还有助于探索地球生命的温度压力极限及生命起源和演化等科学问题.从深海嗜压微生物多样性、深海微生物高压环境适应机理及深海微生物在生物地球化学循环中的作用等方面对嗜压微生物的研究进展进行综述.     

地下水微生物功能群及生物地球化学循环

地下水系统是地球关键带的重要组成部分,为微生物提供了特殊的栖息环境和复杂的生存条件,进而演化出复杂的生物地球化学过程.随着多技术、多学科的交叉融合及发展,近几十年地下水微生物功能群及生物地球化学循环研究取得了引人瞩目的 重要进展.本文从地下水中的微生物群功能分区、微生物介导的地球化学元素循环、污染与修复中的生物地球化学...     

海洋沉积物微生物介导有机碳转化研究进展

海洋沉积物是地球上最大的有机碳库,其中生存的微生物总量大、分布范围广、类群多样、代谢方式复杂,并共同构成海洋沉积物微生物组。海洋沉积物微生物组介导的有机碳降解与矿化过程不但能为沉积物中的生命活动提供物质和能量,也能参与调控碳循环过程,并在长时间尺度上对地球气候系统产生重大影响。沉积物中的有机碳在复杂多样的微生物代谢活动下被逐步降解,其最终的矿化过程与不同的电子受体消耗相偶合,并形成对应的地球化学分区。研究海洋沉积物微生物及其介导的有机碳转化过程对我们深入认识沉积物中的元素循环过程,并进一步评估其对整个地球系统的影响具有重要科学意义。本文对海洋沉积物微生物组的体量、包含的微生物多样性、代谢活性以及在不同地球化学分区中主要的微生物类群和代谢机制进行综述,最后基于研究现状展望了海洋沉积物微生物组的未来研究方向。     

南极冰下水生态系统微生物与生源元素循环研究进展

南极大陆冰盖下存在液态水,形成了由冰下湖、冰下河/溪、冰封湖和冰架下水体等组成的冰下水生态系统,具有低温、黑暗和寡营养等极端的环境条件特征。微生物主导了南极冰下水生态系统,其具有丰富多样的种群构成、功能形式和独特的适应机制,在生源元素生物地球化学循环过程中起了重要作用。研究南极冰下微生物群落的生态特征及其参与的生源元素地球化学循环过程,可为揭示地球生命演化和探索外星生命提供指示,具有重要的科学意义。本文综述了南极冰下水生态系统的极端环境条件、冰下微生物的多样性、冰下微生物参与的生物地球化学循环以及冰下微生物的适极机理,最后基于研究现状展望了南极冰下微生物的未来研究方向。     

树种多样性对土壤微生物群落结构和元素生物地球化学循环的影响研究进展

森林是陆地生态系统的重要组成部分,其巨大的生产力和生态服务功能对人类的生存和发展至关重要。森林树种多样性增加能够显著提高森林生产力,关于树种多样性如何影响地下生物多样性及生态功能逐渐受到国内外学者的广泛关注。从土壤微生物及其介导的元素生物地球化学循环这一视角出发,综述了树种多样性对土壤细菌和真菌多样性、群落结构及功能的影响,提出需要进一步深入研究的方向。总体来说,树种多样性有利于增加土壤细菌生物量和多样性,是预测病原性真菌和菌根真菌多样性及群落结构的重要生物因子。树种多样性能增加土壤有机碳储量,增强森林土壤的甲烷氧化能力,并提高土壤磷周转速率及有效磷含量。关于树种多样性对森林土壤氮循环的影响需考虑多样性假说和质量比假说的相对贡献。今后应加强树种多样性对多个营养级之间相互作用的研究;关注树种多样性对生态系统多功能的影响;加强学科交叉,引入微生物种群动态模型和气候模型等模型预测方法,研究树种多样性对全球气候变化的应对机制,以期促进地上植物多样性与地下生态系统功能关系的研究,增强森林生态系统应对未来全球环境变化的能力。     

生物地球化学锰循环中的微生物胞外电子传递机制

微生物是生物地球化学元素循环的重要驱动者,在锰等变价金属元素的氧化还原过程中起着至关重要的作用。近年来,Mn(Ⅲ)的发现以及在一些环境中的广泛存在,丰富了人们对Mn(Ⅲ)以及自然界锰循环过程的认识。研究发现,锰的生物地球化学循环,尤其是锰还原过程,与微生物胞外电子传递紧密相关,且目前已知的5种胞外电子传递机制均与锰还原有关联。因此,本文综述了锰的生物地球化学循环及其意义,并从微生物胞外电子传递的机制、微生物介导锰氧化、微生物介导锰还原等3个方面来介绍参与锰循环的微生物多样性;以及微生物地球化学锰循环的环境意义。对微生物参与锰循环过程的研究不仅可以进一步丰富相关理论,同时也能推动生物除锰、污染物原位修复及生物冶金等应用领域的发展。     

微生物耐砷机理及其在砷地球化学循环中的作用北大核心CSCD

砷是一种无处不在的有毒类金属,其强致癌性引起了人类的广泛关注。在自然环境中,砷的转化存在物理化学过程和生物过程,其中微生物介导的砷转化是环境砷行为的主要影响因素。微生物的耐砷特性与砷吸收、氧化还原、甲基化、区隔化和外排等过程密切相关。砷在微生物体内的转运转化主要与砷解毒有关,但某些微生物可利用氧化还原过程产生的能量以维持其生长需求。本文综述了微生物介导的砷吸收、转化、区隔化和外排机制,这对阐明砷的地球化学循环过程及指导砷污染土壤和水体修复、阻控农作物砷吸收等方面具有重要意义。     

微生物参与海草床元素循环及其生态修复功能

海草是分布在全球海岸带的沉水被子植物,与周围环境共同形成的海草床生态系统是三大典型海洋生态系统之一,具有十分重要的生态功能。20世纪以来,全球海草床衰退严重,研究海草床的生态修复迫在眉睫,现有修复方法未能足够重视微生物在海草床中的重要作用。本文综合阐述了微生物在海草床生态系统有机物矿化和营养流动过程中起到的作用,分析了微生物驱动下的海草床水体与沉积物之间的元素循环,提出了人类活动引起海草床退化的原因,总结了海草床微生物的系统研究方法,并在此基础上提出从微生物生态的角度修复海草床的新思路。     

Carbon and nitrogen biogeochemical cycling potentials of supraglacial cryoconite communities

Microorganisms have a crucial role to play in the cycling of nutrients within glacial environments. These systems are often nutrient-limited, and so biogeochemical reactions, which ensure the availability of nutrients for microbial communities, are critical for the maintenance of these systems. This study uses molecular biology to characterise the supraglacial cryoconite microbial communities that are capable of cycling carbon and nitrogen in a range of glacial environments. Organisms with the potential to photosynthesise were identified, including Cyanobacteria, Actinobacteria, Betaproteobacteria, Stramenopiles and Haptophyceae. Organisms with the potential to perform nitrification and denitrification processes were also identified and featured Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Thaumarchaeota and Cyanobacteria. While it is unlikely that the chemical and physical parameters of the supraglacial environment will facilitate optimal rates of all of the nitrogen-related biogeochemical processes, the transport of these cryoconite communities to downstream locations, where more favourable conditions may prevail, will perhaps provide a valuable inoculation of microorganisms with the genetic potential to catalyse these reactions elsewhere.     

植物在硅生物地球化学循环过程中的作用

硅是地球上重要的矿质元素,在许多生物地球化学过程中起着重要作用。传统认为硅的循环主要受岩石风化、矿物溶解和水体沉积的影响。实际上,植物在硅的生物地球化学循环中起着重要作用。植物体本身就是一个相当大的硅库,它们能以无定型硅(SiO2.nH2O)的形式积累硅,称作生物硅(BSi)、植硅石或蛋白石。陆地植物每年以BSi的形式固定约1.68×109～5.60×109t的硅,通过枯枝落叶返回到土壤中的BSi有92.5%被植物再吸收,7.5%进入土壤库。陆地植物从土壤BSi库吸收的硅量远超过从岩石风化释放吸收的硅量,植物-土壤内循环的有效性强烈地影响着陆地生态系统中的硅向河流和海洋的输送。在海洋中,硅藻通过吸收、溶解和沉积在很大程度上影响着海洋里的硅循环,硅藻每年固定的硅约为5.60×109～7.84×109t,同样,在向海底沉积的过程中,97%的BSi重新被硅藻吸收,每年只有1.43×108～2.55×108t(约3%)沉积到海底。可见,植物在陆地生态系统和水生生态系统硅的循环中均起着非常重要的作用,研究硅的全球生物地球化学循环时必须考虑到植物的作用。     

冰川生态系统固碳微生物研究进展

[目的] 海南海口含有丰富的温泉资源,对温泉微生物多样性进行研究,有助于进一步开发和利用海南温泉微生物资源。[方法] 本文采用Illumina HiSeq高通量测序技术对海口3个温泉[海甸岛荣域温泉（S1）、火山口开心农场温泉（S2）和西海岸海长流温泉（S3）] 水样中微生物ITS序列和16S rRNA基因V3-V4区进行测序及生物信息学分析,探究海口市3个不同区域的温泉真菌多样性与细菌多样性。[结果] （1）α多样性分析表明,真菌群落中,S3 > S1 > S2,而在细菌群落中,S2 > S1 > S3。β多样性分析表明,3个温泉真菌群落和细菌群落组成差异皆显著。（2）分类分析表明,温泉真菌群落优势菌门为子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）,细菌群落优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、Thermi、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、绿菌门（Chlorobi）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）。（3）CCA（Canonical correspondence analysis）分析表明,3个温泉的真菌群落主要影响因子是温度,细菌群落主要影响因子是总磷。[结论] 海南省海口市温泉中含有丰富的微生物资源,其微生物群落组成受多种环境因子影响,且影响真菌和细菌的主要环境因子不同。     

外来植物对陆地生态系统氮循环的影响途径

外来植物的引种和入侵已成为一个全球性的重要问题.许多外来植物不仅可以改变陆地生态系统的氮输入、输出,而且还可以通过改变氮素吸收、再利用,凋落物质量,土壤环境,土壤生物等因子影响陆地生态系统内都氮循环.在概述陆地生态系统氮循环基础上,系统综述了外来植物对陆地生态系统氮循环的影响方式和途径以及可能造成的生态后果,并对将来研究方向进行了展望:应更多考虑外来植物影响机制的复杂性、不同养分元素循环的相互作用和新技术手段的应用.     

Empirical testing of cryoconite granulation: Role of cyanobacteria in the formation of key biogenic structure darkening glaciers in polar regions

Cryoconite, the dark sediment on the surface of glaciers, often aggregates into oval or irregular granules serving as biogeochemical factories. They reduce a glacier's albedo, act as biodiversity hotspots by supporting aerobic and anaerobic microbial communities, constitute one of the organic matter (OM) sources on glaciers, and are a feeder for micrometazoans. Although cryoconite granules have multiple roles on glaciers, their formation is poorly understood. Cyanobacteria are ubiquitous and abundant engineers of cryoconite hole ecosystems. This study tested whether cyanobacteria may be responsible for cryoconite granulation as a sole biotic element. Incubation of Greenlandic, Svalbard, and Scandinavian cyanobacteria in different nutrient availabilities and substrata for growth (distilled water alone and water with quartz powder, furnaced cryoconite without OM, or powdered rocks from glacial catchment) revealed that cyanobacteria bind mineral particles into granules. The structures formed in the experiment resembled those commonly observed in natural cryoconite holes: they contained numerous cyanobacterial filaments protruding from aggregated mineral particles. Moreover, all examined strains were confirmed to produce extracellular polymeric substances (EPS), which suggests that cryoconite granulation is most likely due to EPS secretion by gliding cyanobacteria. In the presence of water as the only substrate for growth, cyanobacteria formed mostly carpet-like mats. Our data empirically prove that EPS-producing oscillatorialean cyanobacteria isolated from the diverse community of cryoconite microorganisms can form granules from mineral substrate and that the presence of the mineral substrate increases the probability of the formation of these important and complex biogeochemical microstructures on glaciers.     

Global analysis of the perturbation effects of metal-based nanoparticles on soil nitrogen cycling

Although studies have investigated the effects of metal-based nanoparticles (MNPs) on soil biogeochemical processes, the results obtained thus far are highly variable. Moreover, we do not yet understand how the impact of MNPs is affected by experimental design and environmental conditions. Herein, we conducted a global analysis to synthesize the effects of MNPs on 17 variables associated with soil nitrogen (N) cycling from 62 studies. Our results showed that MNPs generally exerted inhibitory effects on N-cycling process rates, N-related enzyme activities, and microbial variables. The response of soil N cycling varied with MNP type, and exposure dose was the most decisive factor for the variations in the responses of N-cycling process rates and enzyme activities. Notably, Ag/Ag₂S and CuO had dose-dependent inhibitory effects on ammonia oxidation rates, while CuO and Zn/ZnO showed hormetic effects on nitrification and denitrification rates, respectively. Other experimental design factors (e.g., MNP size and exposure duration) also regulated the effect of MNPs on soil N cycling, and specific MNPs, such as Ag/Ag₂S, exerted stronger effects during long-term (>28 days) exposure. Environmental conditions, including soil pH, organic carbon, texture, and presence/absence of plants, significantly influenced MNP toxicity. For instance, the effects of Ag/Ag₂S on the ammonia oxidation rate and the activity of leucine aminopeptidase were more potent in acid (pH <6), organic matter-limited (organic carbon content ≤10 g kg⁻¹), and coarser soils. Overall, these results provide new insights into the general mechanisms by which MNPs alter soil N processes in different environments and underscore the urgent need to perform multivariate and long-term in situ trials in simulated natural environments.     

菌根真菌影响森林生态系统碳循环研究进展

森林生态系统在全球碳(C)储量中占据极为重要的地位。菌根真菌广泛存在于森林生态系统中,在森林生态系统C循环过程中发挥重要的作用。阐述了不同菌根类型真菌在森林生态系统C循环过程中的功能,对比了温带/北方森林与热带/亚热带森林中菌根真菌介导的C循环研究方面新近取得的研究结果。发现温带和北方森林的外生菌根(EcM)植物对地上生物量C的贡献相对较小,然而是地下C储量的主要贡献者;以丛枝菌根(AM)共生为主的热带/亚热带森林地表生物量占比较高,表明AM植被对热带/亚热带森林地上生物量C的贡献相对较大。我们还就全球变化背景下,菌根真菌及其介导的森林生态系统C汇功能,以及不同菌根类型树种影响C循环的机制等进行了总结。菌根真菌通过影响凋落物分解、土壤有机质形成及地下根系生物量,进而影响整个森林生态系统的C循环功能。菌根介导的森林C循环过程很大程度上取决于(优势)树木的菌根类型和森林土壤中菌根真菌的群落结构。最后指出了当前研究存在的主要问题以及未来研究展望。本文旨在明确菌根真菌在森林生态系统C循环转化过程中的重要生态功能,有助于准确地评估森林生态系统C汇现状,为应对全球变化等提供重要的依据。