水分对具鞘微鞘藻构建人工藻结皮的作用

为探讨水分在利用室内培养具鞘微鞘藻构建人工藻结皮中的作用,本文研究了不同施水量和施水时间下人工藻结皮中的藻类生物量、结皮厚度、抗压强度和微结构变化.结果表明:利用具鞘微鞘藻在裸沙上接种,无水处理藻类生物量极低,无藻结皮形成.随着施水量的增加,藻结皮开始出现直至形成稳定的藻结皮,藻类生物量、结皮厚度和抗压强度显著增加,藻丝和胞外多糖逐渐增多,与沙粒缠绕成复杂的网状结构.施水15 d,形成稳定的藻结皮,藻类生物量、结皮厚度和抗压强度最高.具鞘微鞘藻形成藻结皮的最适施水量是3～4L·m-2·d-1,施水时间为15 d.土壤可利用水分可促进具鞘微鞘藻的代谢活动和胞外多糖合成,从而增加藻类生物量,提高其耐旱能力,早期的水分获得是其成功形成藻结皮的关键因素.研究结果将为利用荒漠藻类进行人工生物结皮恢复提供重要的理论依据.     

风力胁迫对具鞘微鞘藻结皮光合活性的影响

抵抗风力胁迫是荒漠藻类适应干旱区环境的重要生物学机制,也是藻结皮能够拓殖流沙的必要条件之一,但有关藻类对风力胁迫的响应机理国内外尚无研究报道。以具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gom.)人工结皮为实验对象,研究了不同强度风力吹蚀对结皮含水量、藻类活力、生物量、及其光合活性的影响。结果表明:不论低于当地起沙风(3m/s)还是高于起沙风(5m/s和7m/s)的风力吹蚀,结皮中藻类生物量均明显下降,而且结皮生物量的变化与风速大小和吹蚀时间呈线性关系(y=14.78+0.035a-1.48b,a风速,b时间,r2=0.79)。进一步分析发现,风力吹蚀后结皮中藻类活力并没有降低但主要光合色素和天线色素的含量普遍降低,叶绿素荧光(Fv/Fm)、表观电子传递速率(ETR)和净光合速率(Pn)明显下降,并且风速越大,降幅越大。这些结果说明风力胁迫对藻结皮生长和光合活性的影响主要是通过影响光合色素代谢合成和电子传递速率引起的,对其生命力没有明显影响。       

土壤藻生物量及其在荒漠结皮的影响因子

土壤藻生物量方法方面的不统一和操作性误差已长时间影响着土壤藻的研究进展。以沙坡头不同龄荒漠土壤为样点,通过直接计数、培养计数、体积换算法等方法的比较分析,提出了土壤藻生物量相对规范测定和计量方法——体积法;测定当地无浇灌溉人工区结皮中生物量为5.99-8.58mm^3/g dry soil,灌溉区1.28mm^3/g dry soil,最高值出现在8月份,最低值出现在2月份;与当地小气候、土壤理化性质等33项环境因子逐步回归显示,它们与当地降水量、土壤中总钾、水解氮、Fe^3 、粉粘粒含量显著正相关,与土壤pH、有机质、Cu、Zn含量显著负相关,同时受土壤中Co含量的影响。     

微鞘藻胞外多糖在沙漠土壤成土中的作用

研究了沙坡头藻结皮中的优势物种——微鞘藻的胞外多糖对沙漠表层土壤水分分布状况的影响及其光合特性。随着胞外多糖浓度的升高 ,土壤持水量增大 ,土壤水分蒸发速率降低 ,水分在土壤中运动的速率被延缓。藻总水溶性多糖产率为 2 8.82 % ,胞外水溶性多糖产率为 1 6 .0 9% ;多糖产量在稳定期生物量最大时增长最快。微鞘藻光合作用最适温度为 2 5℃ ,最适光强为 40 0 μE.m- 2 .s- 1,在 0 .3 mol/ L Na Cl浓度下其光合作用活性被强烈抑制 ;微鞘藻的吸收光谱表明它比生长在湿润地区的藻类含有更多的胡萝卜素成分 ;叶绿素 a荧光 (Fv/ Fm)分析表明在失水约为初始湿重的 5 6 %时 Fv/ Fm值恢复到水培养的 96 % ;其光合作用特性有利于对逆境的适应和生物量的积累。表明微鞘藻胞外多糖可影响沙漠表层土壤水分分布状况 ,并可作为一种潜在的生物肥料 ,在荒漠原始成土过程中扮演着重要角色。     

人工藻结皮对库布齐沙地土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤内存在的具有生物活性的蛋白质,土壤是土壤酶的良好介质,为各种酶类提供酶促条件,且土壤成分与酶通过共价键、离子键或氢键等方式的吸附结合作用,能防止酶的钝化失活。目前已发现的土壤酶约60种,主要来自于土壤微生物,土壤酶的主要作用是参与C、N、P、S等重要营养元素的循环,在植物营养物质的转化中起着重要作用,它与土壤微生物一起共同推动土壤生物化学的全过程,土壤酶活性作为土壤质量的生物活性指标已被广泛接受。我国对土壤酶的研究始于20世纪60年代,20世纪80年代后,随着环境科学的发展,土壤酶研究越来越受重视。国内对农田生态系统的土壤酶研究较多,土壤酶在环境污染治理中的作用也进行了初步探讨,然而土壤酶在荒漠生态系统中的功能及其作用机制的探讨较少,更没有把土壤酶的研究成果用于荒漠生态系统的管理、恢复与重建工作。本实验中,采集库布齐沙地有代表性的流动沙丘和固定沙丘（三年前建立人工植被）1—5cm深度的沙土,首先测定了二者中转化酶、蛋白酶、脲酶以及碱性磷酸酶的活性,然后将荒漠藻接种到流沙表面,研究了人工微藻结皮对四种土壤酶活性的影响。结果表明：与内蒙古高原上广泛分布的栗钙土相比,沙地中的土壤酶活性很低;但固定沙丘中的土壤酶活性显著高于流动沙丘（p〈0.05）。将Microcoleus vaginatusGom。（具鞘微鞘藻）和Phormidium tenue（Menegh.）Gom.（纤细席藻）按0.5μgChl..a/cm2的接种量接种到沙表面时,30d后可形成明显的藻结皮,接种90d后,沙土中转化酶、蛋白酶、脲酶以及碱性磷酸酶的活性分别是对照的1.6—3.6倍、3.1—6.0倍、2.8—10.6倍、29—79倍。目前,荒漠化治理已成为全世界面临的重大课题,本实验研究结果揭示了不同沙地中土壤酶活性的差异,并从土壤酶的角度揭示了人工微藻结皮对土壤的改良作用。该成果对于利用微藻进行荒漠拓殖和荒漠化治理具有一定的指导意义。     

古尔班通古特沙漠生物结皮微鞘藻分类学研究

实验研究了从古尔班通古特沙漠生物土壤结皮中分离纯化培养出的11株与微鞘藻(Microcoleus)形态接近的丝状蓝藻,通过形态特征、16S rRNA和ITS二级结构相结合的多相分析方法对其进行分类学研究。研究结果表明,实验藻株隶属于微鞘藻科(Microcoleaceae)的微鞘藻属(Microcoleus)和束脉藻属(Symplocastrum),其中包括2个中国新记录种:斯坦微鞘藻(Microcoleus steenstrupii)和细长束脉藻(Symplocastrum flechtnerii),另外还有具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)和类似斯坦微鞘藻的存疑物种。藻丝多少与排列方式、细胞大小与末端细胞形状,以及16S rRNA系统发育位置是确定微鞘藻(Microcoleus)与束脉藻(Symplocastrum)属于不同物种的关键依据, ITS二级结构是区分属内不同物种的重要参考。     

营养缺失对具鞘微鞘藻胞外多糖和糖原分配模式的影响

为探究蓝藻胞外多糖(EPS)和胞内糖原的分配模式和作用,研究了在氮、磷、镁、钙和铁缺失条件下具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gomont FACHB-896)胞外多糖和糖原代谢合成过程中碳流分配规律。结果表明培养基中NO₃^-、PO₄^3-和Mg²⁺的缺乏明显抑制了具鞘微鞘藻的生长和叶绿素a的合成(P<0.05),而Ca²⁺和Fe²⁺的缺乏则对这2个指标无明显影响(P>0.05)。NO₃^-、PO₄^3-、Mg²⁺、Ca²⁺和Fe²⁺的缺乏并未刺激释放多糖(RPS)和总EPS的分泌(P>0.05),而Ca²⁺和Fe²⁺的缺乏明显促进荚膜多糖(CPS)的合成(P<0.05)。NO₃^-、PO₄^3-、Mg²⁺、Ca²⁺和Fe²⁺的缺乏明显促进糖原的合成(P<0.01),且EPS/糖原比值在1.7—8.0,明显小于对照组(P<0.01);尤其在氮缺乏时,EPS/糖原比值最小(P<0.01),细胞内总糖含量最高(P<0.01),细胞分配能量更经济。以上结果表明,在营养缺失时,具鞘微鞘藻倾向存储糖原,但仍将1.7—8.0倍糖原的碳流用于合成EPS。在胞外合成EPS的过程中,将有限的能量优先合成利于自身生存的CPS,较少向外分泌RPS。营养缺失明显影响具鞘微鞘藻胞外多糖和糖原的分配模式,这种能量分配模式可能十分有利于其抵抗贫瘠沙漠的生长环境。     

贺兰山东麓荒漠藻结皮微生物群落结构及其演替研究

以宁夏贺兰山东麓荒漠藻结皮为研究对象,对处于不同发育阶段的藻结皮中微生物群落结构及其演替进行了研究。结皮样品高通量测序结果分别得到521个16S rDNA序列操作分类单元(OTU)和64个18S rDNA序列OTU,表明藻结皮中原核微生物多样性远高于真核微生物;贺兰山东麓藻结皮中原核微生物分布于26个纲,Cyanobacteria在各个发育阶段中都是优势微生物类群,Actinobacteria、Chloroplast、Alphaproteobacteria和Bacilli在藻结皮发育的各个阶段相对丰度也较高;从属水平上分析,Bacillus、Leptolyngbya、Microcoleus、Microvirga、Chroococcidiopsis、Rubellimicrobium、Phormidium、Mastigocladopsis、Skermanella、Nostoc、Scytonema共11个属在各个发育阶段的藻结皮中都存在,只是出现了丰度的差异。Bacillus在藻结皮形成期、发育初期和发育中期相对丰度较大,成熟期丰度显著下降,而成熟期Microvirga丰度较前3个时期显著增...     

人工藻结皮技术及其在沙漠治理中的应用

沙漠化是荒漠化的主要类型之一,它是指干旱、半干旱及部分半湿润地区由于人地关系不相协调所造成的以风沙活动为主要标志的土地退化[1].     

人工藻结皮形成过程中表土非降雨型水分吸收的变化情况

在干旱、半干旱地区, 表土非降雨型水分吸收对于植物、生物结皮以及一些小型动物都起着非常重要的作用. 本研究对库布齐沙漠中各种水分吸收类型进行了调查, 并对人工结皮形成过程中水分吸收的变化进行了跟踪监测. 结果发现, 在实验区, 从空气中吸收的水分占表土水分吸收量的25.07%~39.83%, 其主要是通过水汽吸附机制进行. 相比之下, 表土从深层土壤吸收的水分更多, 大约占到水分吸收量的60.17%~74.93%. 人工结皮的形成促进了表土水分的吸收, 但吸收水分的增加并非在接种后或结皮形成后立即表现出来, 而是在结皮形成后, 结皮结构有了一定变化后, 表土吸收的水分才出现增加. 实验中表土从空气中吸收的水分在接种15天后出现增加; 表土持水量的增加则出现在接种后第20天. 推测藻丝及其分泌物是结皮增加水分吸收量和保持量的主要贡献者, 而且当藻体经历干燥时期死亡之后, 它们对水分的吸收以及保持仍具有一定的作用.     

温度和CO2浓度升高对荒漠藻结皮光合作用的影响

2007年,对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区1956年(51龄)和1981年(26龄)人工植被区及自然植被区的藻结皮净光合速率(P_n)变化,及其与结皮含水量(>100%、40%～60%和<20%)、大气CO₂浓度(360和700 mg·L^-1)和温度(13 ℃、24 ℃ 和28 ℃)的关系进行研究.结果表明：51龄、26龄人工植被区和自然植被区的藻结皮P_n分别为3.4、4.4和3.2 μmol·m^-2·s^-1,且51龄人工植被区藻结皮的P_n显著高于26龄人工植被区和自然植被区;藻结皮含水量对其P_n影响显著,且中等含水量(40%～60%)藻结皮的P_n显著高于低含水量(<20%)和高含水量(>100%);CO₂倍增(700 mg·L^-1)后,中等和高含水量藻结皮的P_n增加了1.8～3.3倍,而低含水量时,藻结皮的P_n变化不明显;高含水量和中等含水量处理时,24 ℃和28 ℃条件下藻结皮的P_n较13 ℃时提高27%～66%,而在低含水量时,不同温度的藻结皮P_n值无显著差异.     

温度和CO2浓度升高对荒漠藻结皮光合作用的影响

2007年,对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区1956年(51龄)和1981年(26龄)人工植被区及自然植被区的藻结皮净光合速率(P_n)变化,及其与结皮含水量(>100%、40%～60%和<20%)、大气CO₂浓度(360和700 mg·L^-1)和温度(13 ℃、24 ℃ 和28 ℃)的关系进行研究.结果表明：51龄、26龄人工植被区和自然植被区的藻结皮P_n分别为3.4、4.4和3.2 μmol·m^-2·s^-1,且51龄人工植被区藻结皮的P_n显著高于26龄人工植被区和自然植被区;藻结皮含水量对其P_n影响显著,且中等含水量(40%～60%)藻结皮的P_n显著高于低含水量(<20%)和高含水量(>100%);CO₂倍增(700 mg·L^-1)后,中等和高含水量藻结皮的P_n增加了1.8～3.3倍,而低含水量时,藻结皮的P_n变化不明显;高含水量和中等含水量处理时,24 ℃和28 ℃条件下藻结皮的P_n较13 ℃时提高27%～66%,而在低含水量时,不同温度的藻结皮P_n值无显著差异.     

The role of cyanobacterial exopolysaccharides in structuring desert microbial crusts

Abstract: Microbial crusts are present on surfaces of soils throughout the world. A key feature of these crusts in arid zones is the abundance of filamentous sheath-forming and polysaccharide-excreting cyanobacteria. Several isolates of cyanobacteria were prepared from crust samples (Nizzana sand dunes, north-western Negev Desert, Israel). Optimal growth conditions for two such isolates of Microcoleus sp. were defined, and the role of the excreted polysaccharides in affecting the hydrological properties of crust-covered sand dunes was studied. Experiments with the native crust microbial population demonstrated the possibility of net primary productivity at both high relative air humidities and low moisture content.     

The vertical microdistribution of cyanobacteria and green algae within desert crusts and the development of the algal crusts

Substantial amounts of algal crusts were collected from five different desert experimental sites aged 42, 34, 17, 8 and 4 years, respectively, at Shapotou (China) and analyzed at a 0.1 mm microscale of depth. It was found that the vertical distribution of cyanobacteria and microalgae in the crusts was distinctly laminated into an inorganic-layer (ca.0.00–0.02 mm, with few algae), an algae-dense-layer (ca.0.02–1.0 mm) and an algae-sparse-layer (ca.1.0–5.0 mm). It was interesting to note that in all crusts Scytonema javanicum Born et Flah (or Nostoc sp., cyanobacterium), Desmococcus olivaceus (Pers ex Ach., green alga) Laundon and Microcoleus vaginatus Gom. (cyanobacterium) dominated at the depth of 0.02–0.05, 0.05–0.1 and 0.1–1.0 mm, respectively, from the surface. Phormidium tenue Gom. (or Lyngbya cryptovaginatus Schk., cyanobacterium) and Navicula cryptocephala Kutz.(or Hantzschia amphioxys (Ehr.) Grun. and N. cryptocephala together, diatom) dominated at the depth of 1.0–3.0 and 3.5–4.0 mm, respectively, of the crusts from the 42 and 34 year old sites. It was apparent that in more developed crusts there were more green algae and the niches of Nostoc sp., Chlorella vulgaris Beij., M. vaginatus, N. cryptocephala and fungi were nearer to the surface. If lichens and mosses accounted for less than 41.5% of the crust surface, algal biovolume was bigger when the crust was older, but the opposite was true when the cryptogams other than algae covered more than 70%. In addition to detailed species composition and biovolume, analyses of soil physicochemical properties, micromorphologies and mineral components were also performed. It was found that the concentration of organic matter and nutrients, electric conductivity, silt, clay, secondary minerals were higher and there were more micro-beddings in the older crusts than the less developed ones. Possible mechanisms for the algal vertical microdistribtion at different stages and the impact of soil topography on crust development are discussed. It is concluded that biomethods (such as fine species distribution and biovolume) were more precise than mineralogical approaches in judging algal crust development and thus could be a better means to measure the potentiality of algal crusts in desert amelioration.     

Variability of Lipid Constituents of the Soil Cyanobacterium Microcoleus vaginatus from the Dead Sea Basin and Negev Desert

A study of lipids of the soil cyanobacterium Microcoleus vaginatus, which was isolated from microbial crusts collected in the Dead Sea basin and in the Negev desert, was performed. Twenty-six hydrocarbons and fatty acids were separated and identified by GC/MS using serially coupled capillary columns of different polarity. Changes in the lipid composition were evaluated by comparison of samples collected from different locations. Heptadecane, 1-heptadecene, 6- and 7-methylheptadecane, hexadecanoic and 9(Z)-octadecenoic acids were identified as the major constituents. Biochemical mechanisms of production of the different lipid compounds under UV irradiation are proposed.     

半荒漠藻结皮中藻类的种类组成和分布

对宁夏沙坡头半荒漠藻结皮中22种藻(其中蓝藻10种,绿藻4种,硅藻6种,裸藻2种)进行了分离、鉴定;利用土壤磨片和电子探针揭示了藻体与基质间的结合方式;通过光镜、扫描电镜观察,从8个层次研究了藻类在结皮中的分布,并发现它们在微米间也呈"层片"分布规律,藻结皮由表及里依次为无机矿物质保护层(ca.0.02mm)、富藻层(ca.0.02～2.5mm)及疏藻层(2.5～5.0mm);藻丝通过胶鞘中多糖、蛋白质与粘土矿物质直接结合,或直接伸入矿物质内而网络、粘结着砂粒和土粒.     

半荒漠藻结皮中藻类的种类组成和分布

对宁夏沙坡头半荒漠藻结皮中２２种藻（其中蓝藻１０种,绿藻４种,硅藻６种,裸藻２种）进行了分离、鉴定;利用土壤磨片和电子探针揭示了藻体与基质间的结合方式;通过光镜、扫描电镜观察,从８个层次研究了藻类在结皮中的分布,并发现它们在微米间也呈“层片”分布规律,藻结皮由表及里依次为无机矿物质保护层（ｃａ．０．０２ｍｍ）、富藻层（ｃａ．０．０２～２．５ｍｍ）及疏藻层（２．５～５．０ｍｍ）;藻丝皮由表及里依次为