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。     

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].     

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     

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.     

毛乌素沙地南缘沙丘生物结皮中微生物分布特征

为探明半干旱沙区生物结皮中微生物分布特征,对毛乌素沙地南缘沙丘生物结皮中微生物数量进行了测定。结果表明:微生物总数从丘顶到丘间地呈递增趋势,除丘顶与迎风坡、迎风坡与背风坡结皮层微生物总数差异不显著外,其他各地貌部位结皮层微生物数量之间差异显著。同一地貌部位结皮层、0～5和5～10cm土层微生物垂直分布有变化,其变化规律为:除迎风坡放线菌数量呈先增加后递减、迎风坡微生物总数、细菌、真菌和丘顶真菌数量随剖面的加深呈递减外,其他各地貌部位微生物数量均呈先降低,后增加的趋势。微生物类群的组成表现为细菌最多,放线菌次之,真菌最少。在丘间地细菌所占微生物总数的比例与丘顶相比有所增加,而放线菌和真菌的比例有所减少。结皮下0～5和5～10cm土层微生物分布与土壤含水量的变化同步,说明土壤水分可能是影响微生物垂直分布的重要因子。     

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。     

贺兰山东麓荒漠微生物结皮发育过程研究

通过测定采集于贺兰山东麓微生物结皮样品的厚度、微生物生物量和叶绿素a 含量、有机质含量、全氮含量、持水性和渗水性等指标, 并对测定结果进行统计分析, 对不同发育程度的微生物结皮样品进行归类, 阐明荒漠微生物结皮的“个体发育”过程。结果表明, 微生物结皮厚度与结皮层微生物量和叶绿素a 含量呈显著正相关; 随着微生物结皮的发育, 结皮层土壤有机质含量、全氮含量及持水量增加, 水分入渗速率减小; 微生物结皮发育具有较明显的阶段性, 可将其发育过程划分为形成期、初期、中期和成熟期4 个阶段。     

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.     

人工培育生物结皮形成和发育对单次降雨量变化的响应

人工生物土壤结皮（BSCs）是目前沙化土地治理的新方法和新模式,播撒天然BSCs碎片是培养人工BSCs的有效方法之一。降雨显著影响人工BSCs的拓殖和发育,已有的研究多集中于探讨降雨总量和频次对单一类别的人工BSCs的影响。而单次降雨量如何影响不同类别的人工BSCs生长发育,仍鲜见报道。以腾格里沙漠东南缘的天然藓类（N-M）、天然蓝藻-地衣（N-CL）、天然蓝藻（N-C）和人工蓝藻（A-C）结皮碎片作为培养人工BSCs的材料,探讨了1 mm、2 mm和5 mm的单次降雨量与不同类别BSCs碎片对人工BSCs的影响。结果表明,在3种单次降雨量处理下使用3种天然BSCs碎片和A-C结皮碎片均可成功培养人工BSCs,2 mm单次降雨量处理下人工BSCs的发育效果最好,而N-C和A-C较其他类别在培养早期具有较高的盖度（32.5%）和叶绿素a含量（11.39 μg/cm²）。回归分析发现,人工BSCs的盖度与单次降雨量呈二项式相关;N-M和N-CL的厚度与单次降雨量呈二项式相关,N-C和A-C与单次降雨量呈对数相关;N-C的叶绿素a含量和单次降雨量呈线性正相关;N-M的松散结合胞外多糖含量和单次降雨量呈线性负相关;N-M和A-C的紧密结合胞外多糖含量和单次降雨量分别呈线性负相关和指数相关（P<0.05）。研究证明了单次降雨量和BSCs类别显著影响人工BSCs的拓殖和发育。同时发现A-C较N-C发育更稳定。因此,建议在使用人工BSCs进行大规模生态恢复时,应选择适宜的BSCs类别并优先选择人工BSCs碎片作为培养材料。     

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.     

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.     

古尔班通古特沙漠生物结皮不同发育阶段中藻类的变化

通过在古尔班通古特沙漠南缘相同的地貌部位,选择裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮4种不同演替阶段中的生物结皮,研究了藻类的种类组成、优势种和生物量的变化.结果表明:(1)在结皮的不同演替阶段,藻类种类组成不同,其常见物种有一定的差异,如裸沙中藻类常见种是脆杆藻2(Fragilaria sp.2)、威利颤藻(Oscillatoria willei)和奥克席藻(Phormidium okenii),藻结皮的常见种是小聚球藻(Synechococcus parvus)、颗粒常丝藻 (Tychonema granulatum)、韧氏席藻(Phormidium retzli);同时在不同发育阶段亦存在一些特有种.(2)在裸沙发育到成熟生物结皮的过程中,藻类的优势物种也发生相应的变化.裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮的优势种分别是脆杆藻1(Fragilaria sp.1)、具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)、具鞘微鞘藻、眼点伪枝藻(Scytonema ocellatum)或集球藻(Palmellococcus miniatus).(3)藻类生物量在生物结皮不同演替阶段差异极显著(P<0.01),在裸沙中藻类生物量最低,随着生物结皮的逐渐发育,藻类生物量明显升高,地衣结皮最高,约是裸沙的8.3倍,当发育至苔藓结皮时,藻类生物量又有所下降.(4)在裸沙中基本为松散的沙粒,随着生物结皮的演替,丝状种类占明显的优势,尤其是具鞘微鞘藻,另外真菌菌丝和苔藓假根分别在地衣结皮和苔藓结皮中起着重要作用.     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮下土壤有机碳垂直分布特征及影响因素

为了探究沙漠不同生物土壤结皮类型覆盖下土壤有机碳(SOC)垂直分布特征及与土壤理化因素的关系,解析影响因素,以古尔班通古特沙漠腹地藻类、藓类生物土壤结皮和裸沙三种不同地被覆盖类型为研究对象,通过野外采集不同类型结皮样品及其下层0-2 cm、2-5 cm、5-10 cm、10-20 cm、20 -30 cm、30-50 cm、50-70 cm以及70-100 cm土层土壤(裸沙对照),测定不同土层的SOC含量及土壤理化指标,开展相关研究。结果表明:(1)不同地被类型下0-100 cm SOC含量随着土壤深度增加呈减小的趋势,在10-30 cm 土层存在SOC含量升高的现象,藓类、藻类和裸沙三种地被类型0-100 cm土层SOC含量范围分别在:1.61-2.70、1.41-2.56、1.21-1.92 g/kg;(2)不同地被类型下同一土层SOC含量在0-5 cm土层存在显著差异,5-100 cm土层SOC整体无显著差异,同层SOC含量均表现为:藓类>藻类>裸沙对照;(3)Pearson法分析结果表明不同地被覆盖下SOC含量与养分(全氮、全磷)呈现正相关关系,与pH和电导率(EC)呈现负相关关系。通过结构方程模型结果表明,土壤养分和粒径(砂粒占比)是影响垂直分布的主要因子,其中粒径是裸沙和藻类的最主要影响因子,藓类最重要的影响因子是养分(全磷)。生物土壤结皮的发育会逐步提高土壤碳的积累,改变SOC的垂直分布特征,对SOC的影响主要集中在5 cm以上土层,土壤理化特征对垂直分布特征具有调控作用。     

古尔班通古特沙漠不同区域藻类结皮微生物结构和潜在功能

藻类结皮形成和发育,能够提高土壤稳定性并增加土壤有机质含量,为微生物生长、繁殖和草本植物拓殖创造条件。因此,藻类结皮潜在功能对后续生物结皮及生态系统演替具有重要意义。然而,古尔班通古特沙漠藻类结皮营养循环相关微生物及潜在功能机制尚不清楚。以古尔班通古特沙漠不同区域藻类结皮为研究对象,采用宏基因组测序技术,研究藻类结皮微生物群落及碳氮循环功能基因特征。研究结果表明蓝藻菌门、变形菌门、放线菌门是藻类结皮中主要微生物类群,在沙漠固碳和氮循环中起到重要作用。微生物α多样性结果显示仅物种丰富度指数在三个区域内存在显著差异。β多样性结果显示藻类结皮未因沙漠局部气候及理化因子差异产生微生物群落分化。而微生物群落功能基因对环境变化响应要比微生物群落更为敏感,沙漠东部和西部藻类结皮功能基因产生显著分化。三个区域微生物功能基因中还原型三羧酸循环是自养生物固碳主要途径,而卡尔文循环是光合生物固碳的主要途径,其中rpiA和rbcS基因更易受到降水影响。鞘脂单胞菌属、念珠藻属和伪枝藻属在参与固碳过程中表现出的差异,可能是导致固碳功能基因产生分化的原因之一。氮循环主要途径以硝酸盐还原为主,大部分氮素通过硝酸盐同化作用被土壤微生物转化为铵盐,少量氮素被反硝化为一氧化二氮和一氧化氮流失。沙漠藻类结皮固氮作用较弱,仅有念珠藻属和伪枝藻属参与,且存在nifH、nifD、nifK三个功能基因。这些固氮功能基因更易受到土壤中硝态氮含量的影响。硝化过程仅注释到氨单加氧酶或甲烷单加氧酶编码pmoABC-amoABC基因,而hao和nxrA、nxrB基因均未注释获得。     

Structural characteristics of algal communities in thermally altered artificial streams

Algal community structure on natural substrates of thermally altered artificial streams was studied for one year. The streams were fed by a natural blackwater stream near Aiken, South Carolina. Temperature-related shifts in the abundance of major species were demonstrated. Red algae were absent from a stream heated 12·5°C above ambient, but remained abundant in streams heated 7·5°C or less. Water temperatures above 30°C produced blue-green algal dominance and eliminated several indigenous species. Substrate specificity was exhibited by all major taxa. Several taxa were abundant only on the bottom sediments and some showed a distinct affinity for either sand or silt, the principal bottom types.     

Unexpected distribution of immobilized microorganisms within alginate beads

Immobilization refers to the prevention of free cell movement by natural or artificial means. It has always been assumed that immediately after an immobilization procedure is performed, cells are distributed homogeneously in the beads that entrap them. However, in this study, Escherichia coli and Trichoderma asperellum distribution in alginate-gel beads was found to be nonhomogeneous. In fact, there was a greater presence of cells on the surface of the alginate beads than in their cores.