Ecological impacts of nitrogen deposition on terrestrial ecosystems: research progresses and prospects

Due to huge consumption of fossil fuels and chemical fertilizers, substantial amount of anthropogenic reactive nitrogen (N) has been released into the environment. Therefore, N deposition has gradually increased worldwide and become one of the most important issues of global change. China has been a N deposition hotspot, and N deposition is projected to last long duration, which poses serious threats to ecosystem stability and functionality. In this synthesis paper, we summarized the impacts of N deposition on aboveground vegetation, soil microorganisms and biogeochemical cycling of major elements (carbon, N and phosphorus) in terrestrial ecosystems by outlining the progresses in the research field during the past 40 years. Results indicate that the accumulation of reactive N compounds induced by N deposition alters the soil environment, ecological stoichiometric balance and species co-occurrence patterns, thereby changing biodiversity and ecosystem functions. The rates, forms and duration of N deposition and the homeostasis of biosystem together with abiotic environments determine the direction and extent of the ecosystem response to N deposition. Through analysing local and foreign studies in this research area, we explore the weaknesses of relevant research that are being conducted in China. To advance the basic research on and risk management of N deposition, we propose the establishment of a N deposition monitoring and research network across the country with consideration of different ecosystems to promote regional and global risk assessments. Future research should highlight the combined multiple factors with N deposition and conduct direct and in-depth mechanism studies.     

Biological Cycles of Mineral Elements in a Young Mixed Stand in Abandoned Mining Soils

Phytoremediation as a sustainable and inexpensive technology based on the removal of pollutants from the environment by plants is becoming an increasingly important objective in plant research. In this study, biological cycles of five nutrient elements （N, P, K, Ca, and Mg） and eight heavy metal elements （Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Ni, Pb and Co） were examined in young paniculed goldraintree （Koelreuteria paniculata Laxm） and common elaeocarpus （Elaeocarpus decipens） mixed stands in an abandoned mining area. We found that after vegetation restoration in abandoned mining areas, the organic matter and concentrations of nutrient elements were significantly increased and the heavy metal elements were significantly decreased, the annual retention, uptake and return were 75.0, 115.4, and 40.3 kg/hm^2 for nutrient elements, and 1 878.0, 3 231.0 and 1 353.0 g/hm^2 for heavy metal elements, respectively, with the utilization coefficient, cycling coefficient and turnover rate of 0.92, 0.35 and 0.32 for nutrient elements, and 1.24, 0.42 and 1.92 for heavy metal elements, respectively. Our results suggested that the vegetation restoration in abandoned mining areas had significant effects in improving environmental conditions, enhancing soil available nutrients, and ensuring human health.     

拟南芥低磷胁迫反应分子机理研究的最新进展

本文综述了拟南芥低磷(Pi)胁迫反应分子机理的最新研究进展, 重点介绍了低磷胁迫反应中的SUMOylation途径、转录因子在低磷反应中的功能、Pi平衡调节机制以及磷脂酶在Pi的循环利用过程中的作用, 总结了已经鉴定的参与低磷胁迫反应的基因及其可能存在的相互关系。     

西藏热泉沉积物的硫氧化细菌多样性及其影响因素

【目的】探究西藏热泉沉积物中硫氧化细菌群落多样性及其环境影响因素。【方法】选取西藏5个地热区的25个热泉样点,现场测量各采样点的水体理化参数,并采集热泉水和沉积物样品。通过功能基因(硫代硫酸盐水解酶编码基因:soxB)克隆文库分析方法,研究沉积物样品中硫氧化细菌群落的组成和多样性,并统计分析其与环境参数之间的相关性。【结果】克隆文库分析结果显示,西藏热泉沉积物样品中的硫氧化细菌主要分属于α-Proteobacteria、β-Proteobacteria和γ-Proteobacteria纲。研究样品中的硫氧化菌群落香农指数与溶解有机碳的浓度(R=0.489,P0.05)呈显著正相关。另外,统计发现西藏各热泉之间的硫氧化菌群落组成差异较大,其优势硫氧化细菌种群差异明显,大多数样点的优势硫氧化细菌种群为β-Proteobacteria,少量样点以α-Proteobacteria和γ-Proteobacteria为主。Mantel检验结果显示,西藏热泉样品中的硫氧化细菌群落组成与温度、硫化物、电导率、海拔、总溶解固体和pH显著(P0.05)相关。【结论】西藏热泉沉积物中的硫氧化细菌群落广泛分布,且主要以变形菌门为主。地理隔离和理化差异导致了热泉沉积物样品间的硫氧化菌群落组成差异。     

重庆紫色水稻土中“全程”和“半程”氨氧化微生物的垂直分异

【目的】系统评估全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizing bacteria, Comammox bacteria)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在典型水稻土剖面的垂直分异规律。2015年发现的"全程"氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)可将氨分子一步氧化为硝酸盐,实现硝化作用。而经典的"半程"氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)将氨分子氧化为亚硝酸盐后,再由系统发育完全不同的硝化细菌将其氧化为硝酸盐。全程氨氧化细菌实现了一步硝化全过程,根本改变了学术界对2类微生物分步硝化的经典认知,但相关研究仍处于初步阶段。【方法】选择重庆北碚地区2017年典型水稻土并采集5、10、20和40 cm不同深度土壤(剖面采样点的上下误差不超过1cm),提取水稻土总DNA后,利用标靶功能基因amoA,通过实时荧光定量PCR技术分析全程氨氧化细菌(Comammox)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在水稻土不同深度的数量变异规律。【结果】半程氨氧化细菌AOB和古菌AOA均随土壤深度增加呈显著下降趋势。然而,全程氨氧化细菌的两大类微生物则表现出相反的规律,Comammox Clade A的丰度随着土壤剖面的加深而显著增加(P0.05),但Clade B并未有类似规律。Clade A在水稻土不同层次的土层中均比Clade B高出1个数量级,在5 cm和40 cm处的最低和最高值分别为3.42×10~7、8.46×10~7 copies/g。AOA与AOB的丰度大致相当,5cm剖面处数量最高分别为1.23×10~7、1.83×10~5copies/g,但其平均丰度远低于全程氨氧化细菌,Comammox与AOA、AOB amoA功能基因拷贝数之比为10–2000。【结论】全程氨氧化细菌(Comammox bacteria)广泛分布于水稻土不同土层中,且数量远高于"半程"氨氧化细菌和古菌,意味着Comammox可能在水稻土硝化作用中起重要作用。     

北戴河海洋沉积物中L-半胱氨酸脱硫细菌的多样性及其特性

【背景】脱硫细菌对有机硫的脱硫作用在硫的生物地球化学循环以及脱硫工业中都起着重要的作用。【目的】了解海洋沉积物中可分解有机物产生硫化氢的细菌多样性。【方法】对我国北戴河海洋沉积物中可培养的L-半胱氨酸脱硫细菌进行分离与筛选,通过对其16SrRNA基因序列测定与分析,构建系统发育树,并对其脱硫、脱氮能力进行检验。【结果】从海洋沉积物中分离得到97株细菌,从以L-半胱氨酸为硫源的培养基中筛选出62株有机脱硫专一型细菌。根据脱硫细菌的形态及其特征,从中选取12株作为典型代表做进一步分析,它们分别属于芽孢杆菌属(Bacillus)、赖氨酸芽孢杆菌属(Lysinibacillus)、动性球菌属(Planococcus)和红球菌属(Rhodococcus)。结果表明,这12株细菌均可产生半胱氨酸脱巯基酶,能够将半胱氨酸分解为丙酮酸、硫化氢和氨,即同时具备脱硫与脱氮的能力。其中有5株菌脱硫能力较强,分别属于赖氨酸芽孢杆菌属、动性球菌属和芽孢杆菌属。【结论】海洋沉积物中存在着丰富的L-半胱氨酸脱硫细菌,为进一步研究海洋中硫的生物地球化学循环提供了素材。     

测定时间对干湿循环条件下高寒湿地土壤呼吸的影响

土壤呼吸是土壤重要的生态过程之一,对全球碳循环有着重要的影响.准确测定不同干湿循环条件下的土壤呼吸,是评价土壤碳排放的重要基础.本研究以若尔盖高寒湿地土壤为对象,设置不同的干湿循环强度和频率,通过持续测定多个连续干湿循环周期下的土壤呼吸,将多次测定值进行累加,计算出土壤呼吸量,并分别与单次测定值所估算的土壤呼吸量进行比较,筛选出具有代表性的土壤呼吸测定时间.结果表明,在高频率干湿循环中(8天·周期^-1),高、低强度下土壤呼吸的最佳测定时间均为干湿交替周期的第4天;在低频率干湿循环中(16天·周期^-1),高、低强度下的最佳测定时间存在差异,分别为第6天和第4天.若统一不同干湿循环强度和频率下的土壤呼吸测定时间,则可选择在循环周期的第4天进行首次测定,之后每隔8天测定一次,此时估算的土壤呼吸量较为准确.以上结果表明,若尔盖高寒湿地土壤呼吸的最佳测定时间随干湿循环的变化而发生改变,在干湿交替循环周期的中间时段测定土壤呼吸,可以提高实验效率,较为准确地估算土壤呼吸,对评价和预测气候变化下高寒湿地生态系统土壤碳排放具有重要意义.     

时间认知的年老化及其神经机制

时间认知功能的增龄性衰退表现得较晚,主要在高龄老年人中表现出时间认知功能的衰退.随着年龄的增长,老年人内部时钟的速率变慢,变异增大.注意及记忆功能随年龄增长而衰退,这些一般认知功能的改变影响老年人的时间认知功能.正常的时间认知功能依赖于"核心-背景"时间加工脑网络结构和功能的完好,这些脑区或功能通路的障碍会导致时间认知功能的损伤.老年人在一定的年龄范围内,可以通过认知补偿策略保持相对完好的时间认知功能.     

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。     

地杆菌：驱动厌氧生物地球化学循环的“多面手”

地杆菌属隶属于δ变形菌纲、地杆菌科,为革兰氏阴性严格厌氧微生物,是一类广泛分布于水体沉积物、土壤和多种地下厌氧环境中的异化铁还原菌。地杆菌可通过多种途径参与厌氧环境中碳、氮、铁等元素生物地球化学循环,具有“多面手”特性,如通过碳分解代谢分解乙酸等小分子有机酸或芳香族化合物、或碳固定利用甲酸、一氧化碳等一碳化合物以及通过胞外电子传递驱动产甲烷菌产甲烷参与碳循环过程;通过硝酸盐异化还原成氨(DNRA)、固氮作用以及与反硝化菌建立互营关系参与氮循环过程;表达多种内膜醌脱氢酶ImcH、CbcL和CbcAB、外膜细胞色素C及导电纳米线,通过直接接触或在电子穿梭体和螯合剂的协助下实现胞外多种Fe(Ⅲ)氧化物的还原而参与铁循环过程。地杆菌的“多面手”特性,使其在多种环境中生存并占据着厌氧环境中重要的生态位,并成为驱动厌氧环境中生物地球化学循环的引擎。本文介绍了地杆菌的代谢特征及分布情况,揭示其在碳、氮、铁元素生物地球化学循环中的作用,并系统分析了地杆菌“多面手”的特性。本文有利于加深对地杆菌驱动的关键元素生物地球化学循环的认识,为理解地杆菌在自然环境中产生的环境效应提供夯实的理论基础,将推动地杆菌在...