高黎贡山天然阔叶林的土壤微生物功能基因多样性

应用微生物功能基因芯片(GeoChip 2.0),研究了云南高黎贡山典型阔叶林土壤微生物功能基因的多样性及其主要环境影响因子.该基因芯片含有24243个寡聚核苷酸探针,涵盖了参与碳、氮等生物地球化学循环的151个功能基因群.在5个样地中,共检测到微生物功能基因2237个,涉及12个不同的微生物生物过程,包括碳降解、碳固定、硫还原、金属还原和抗性、氮固定、硝化、反硝化、污染物降解、磷利用、甲烷还原和甲烷氧化等.各样地土壤微生物的Shannon Weaver指数处于5.39~6.91之间,其中常绿阔叶林土壤微生物的多样性高于针阔混交林.参与碳氮循环的相关功能基因多样性和丰度在样地间存在差异,其中针阔混交林样地具有较高的固碳基因丰度,GLGS15样地具有较高的反硝化相关基因丰度,表明这些微生物介导的生物过程在样地间可能存在明显的差异.CCA分析表明研究样地的土壤有机碳、土壤含水量、土壤温度和植物多样性可能是影响微生物功能基因多样性分布格局的重要环境因素,VPA分析表明土壤含水量、土壤温度和植物多样性对微生物群落结构分别做了25.79%,25.83%和18.94%的贡献.     

化能自养微生物的固碳功能及人工调控策略

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分,也是控制碳排放的有效方法.在海洋深处、水体沉积物、地表土壤甚至极端环境中,化能自养微生物可通过硫化物、氨、氢气等还原性物质的氧化获取化学能固定无机碳.诸多研究表明化能自养微生物的固碳功能对吸收大气、海洋、湿地、土壤和极端环境中的CO₂具有重要作用,特别是对深海、湖泊深层等无光环境以及深海热液区等极端生境中初级生产的重要贡献.然而,目前区域生态系统碳汇核算模型的建立普遍忽视了化能自养微生物类群及固碳潜能,低估自然生态系统实际碳汇能力.本文基于化能自养微生物固碳研究的现状,阐述了化能自养微生物在不同生态系统中的固碳潜能,介绍了参与化能自养固碳过程的主要微生物类群的代谢特征及固碳途径,重点分析了基于固碳途径和能量代谢提升自养微生物固碳效率的人工调控策略及应用进展.最后,本文对区域生态系统化能自养微生物碳汇功能的精准量化、开发人工增汇技术等未来研究方向进行了展望,为认识和调控化能自养微生物驱动的自然碳汇过程,助力实现“双碳”战略目标提供参考.     

植物内生细菌

植物内生细菌是指能定殖在健康植物组织内，并与植物建立了和谐联合关系的一类微生物，有生物防治、植物促生和内生共生固氮作用。在农业生产过程中，由于农药和化肥的大量使用以及农田耕作的单一化，使植物和土壤中微生物的多样性大为减少。在人们日益重视人与自然和谐相处的今天，研究和利用植物内生细菌对于替代或减少农药和化肥的使用，改善农业生态系统，保持植物微生态系统的生物多样性以及维护农田生态平衡实现可持续发展都有重要意义。     

含TNT废弃物的生物修复研究进展

介绍几种以生物为基础的处理TNT污染土壤的技术。分析了每一种方法的优缺点，厌氧微生物生物处理技术、土壤泥浆反应器、堆肥、植物生物救治作用，植物共生菌以及表达微生物降解酶的TNT转基因植物均已用于TNT的生物降解，厌氧生物处理技术对炸药污染物的去除比好氧技术更有效，在细胞、分子水平上研究对炸药具有特殊降解能力的微生物、酶的微观结构和生化性质是当今环境工程微生物学的前沿之一。     

合成生物学优化微生物碳代谢过程中的碳保存与碳固定

随着化石资源的过度开发和利用,由CO₂过度排放引起的全球变暖已经引起全世界的高度关注,亟待找到可持续的替代解决方案.利用微生物作为细胞工厂,对天然碳代谢途径进行改造以实现更大程度的碳保留及利用天然碳固定途径和人工固碳途径,将碳源转化为可利用碳物质,是减少碳排放、缓解温室效应的有效途径.本文以微生物系统在其代谢过程中优化碳保存及碳固定的能力为主要标准,主要总结了近年来人工碳保留途径和人工固碳途径设计合成方面取得的进展,并进行了比较分析,讨论了以微生物作为细胞工厂实现绿色低碳可持续生产的价值.随着合成生物学的不断发展,越来越多的二氧化碳固定机制将被挖掘和开发,用于重构微生物代谢,实现高效的生物制造,开启工业脱碳的正循环.     

放牧对草地生态系统磷循环调控机制的研究进展与展望

放牧是全球范围内草地生态系统最主要和最直接的利用方式.磷(P)是植物生长所必需的大量元素,同时也是草地初级生产力的关键限制性养分元素,广泛参与植物的光合、呼吸等重要代谢过程.放牧通过直接和间接作用影响草地植物和土壤各组分的P含量和P库,进而通过正负两种反馈影响生态系统的P循环.目前,国内外有关放牧对草地P循环的影响机制,特别是P循环的生物学过程和机制尚不十分清楚.本文总结了有关放牧对植物和土壤各组分P含量及P库的影响及其机制,并对该领域的几个重要研究方向和亟待回答的科学问题进行了展望.未来研究中需要重点关注的问题包括:(1)土壤微生物量P组成沿不同放牧强度的变化,以及放牧对土壤微生物P源和汇的影响机制;(2)放牧如何影响土壤磷酸酶的活性(磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、三磷酸单酯水解酶等)进而调控土壤中P的矿化过程;(3)放牧如何调控P在植物-土壤-微生物系统中的转化过程;(4)采用分子生物学和组学的手段,揭示土壤微生物在P循环及生态系统功能中的作用,以及放牧如何影响植物和根际微生物,进而调控生态系统P循环;(5)不同放牧强度如何影响植物多样性、菌根真菌多样性及两者之间的关系,进而影响植物对P的吸收和利用,以及地上和地下生物量P库;(6)不同家畜种类的食性差异及其对磷循环的影响机制;(7)其他植食动物(野生食草动物、植食昆虫、啮齿动物、蚯蚓、植食性线虫等)在草地生态系统P循环中的作用;(8)不同放牧强度如何调控生态系统各营养级组分的N:P化学计量关系,进而影响N、P循环之间的耦合关系.     

关于中国土壤碳库及固碳潜力研究的若干问题

土壤碳库研究及碳汇问题是近年来土壤碳循环与全球变化研究的热点领域. 本文回顾了中国土壤碳库估算的研究成果, 分析了我国土壤碳库在气候变化下的演变态势, 并探讨了土壤有机碳矿化与温室气体的释放问题. 整合已有的研究资料, 可以认为中国土壤总有机碳库接近90 Pg, 无机碳库约为60 Pg, 农田土壤已有的固碳速率在20~25 Tg/a 水平. 农田土壤固碳的理论容量可以达到2.0 Pg 水平, 但农业技术的实施能够实现的技术潜力可能仅为理论潜力的1/3 左右. 因此, 改善土壤管理和农田经营机制可能是提高土壤固碳技术潜力的关键.土壤固碳中有机碳积累并不表现出分解的敏感性, 固碳显得有利于提高农田生产力和改善生态系统功能, 一些农田综合温室气体排放的生命周期评价的案例研究反而显示有机质积累下农业生产的碳排放强度没有提高甚而降低. 未来中国土壤碳库研究的重点发展方向在于: (1)以流域为尺度和地球表层系统为对象的系统固碳与碳汇研究; (2) 生态系统土壤碳固定与稳定机制, 特别是土壤固碳与生产力和生态服务功能的协同机理和多界面过程. 中国土壤碳科学将面临多学科集成和多目标服务的新发展机遇.     

红树林土壤pH和其他土壤理化性质之间的相互作用

红树林生态系统具有强大的固碳、储碳能力,在防治污染、净化水体和维持生物多样性等方面也发挥着重要作用.然而在气候变化和人类活动双重影响下,红树林生态系统正面临着面积锐减、生态系统结构简化、生物多样性降低、生态功能退化等巨大考验.红树林湿地土壤的理化性质如pH、养分含量及盐度等直接或间接影响着红树林的生长状况和生态功能.红树林土壤中pH和其他理化性质之间的相互关系,除了两个因素之间相互作用外,也同样受其他理化条件的影响.红树林土壤pH只有维持在合理范围,才能维持和提高红树林生态系统的固碳作用,发挥其强大的固碳功能.红树林土壤通常多是酸性硫酸盐土,硫含量较高,土壤pH与全硫含量一般呈负相关关系.红树的数量、种类、密度、分布以及种群结构都直接影响着土壤中的硫含量,而土壤的氧化状态、硫含量及硫化物的种类和分布又是决定土壤pH的重要因素,同时pH也影响土壤中硫化物的赋存状态.红树林土壤中有机物的摄入和分解是不断进行的过程,其中有机碳的含量和种类通过影响土壤细菌的种群结构、生长、生理过程,进而影响土壤pH;同时,土壤pH的平衡又影响着红树林土壤中的有机碳含量和种类.高含盐的红树林土壤的pH与盐度之间,一般呈正相关关系;然而盐度到底是直接影响,还是间接影响了pH的变化,还有待进一步研究.因此,探索红树林土壤理化性质的相互关系具有重要意义.本文首先以pH为切入点,综述了红树林湿地土壤pH和其他理化性质之间的相互关系和作用,包括pH与硫含量、有机碳、盐度、溶解氧以及N、P含量的相互关系.然后探讨了气候变化和人类活动可能对红树林土壤pH产生的影响.最后,尝试通过上述内容,推理出土壤pH和其他理化性质对具体的气候变化现象和人类活动(如海平面上升、红树林重建等)可能做出的响应.本文涉及的研究内容和分析方法对于发挥红树林储碳能力、修复和重建红树林都具有重要的参考意义.     

海洋蓝细菌与异养细菌相互作用:以原绿球藻为例

蓝细菌(cyanobacteria)是海洋最主要的初级生产者,贡献了海洋净初级生产力的25%.海洋异养细菌具有多种代谢路径,能够吸收和利用蓝细菌的光合作用产物.海洋蓝细菌和异养细菌之间的相互作用关系影响海洋食物网、固碳和储碳,具有重要的生态效应和生物地球化学意义.原绿球藻(Prochlorococcus)作为蓝细菌的典型代表类群,是海洋中体积最小、数量最大的光合自养原核微生物.原绿球藻的基因组高度精简,从而减少了细胞复制中所需的物质和能量,同时减小了细胞体积,因此在寡营养大洋表层环境中具有竞争优势.然而,基因组减小同时使得原绿球藻单个细胞基因多样性下降,从而使其适应环境的潜能降低.因此,相比于其他蓝细菌,原绿球藻更加依赖于海洋环境中其他微生物的协助,以维持自身生存的需求.本文根据国内外近期的相关研究成果,从原绿球藻与异养细菌之间基因的互补关系和生理特性等角度,归纳了两者之间存在的互利共生、偏利共生等多种相互作用关系及其生态效应,并提出了未来的研究重点.     

海洋微生物与噬菌体间的相互关系

病毒是海洋中丰度最高的生物体, 其中绝大多数又为能够侵染细菌和古菌的噬菌体.它们在控制微生物死亡率、调节微生物群落结构与多样性、影响微食物网过程以及参与碳、氮等元素的生物地球化学循环等方面扮演着重要的生态角色. 本文对近年来关于海洋细菌与其病毒间相互关系的研究进行了概述, 并结合作者的工作对未来的研究进行展望.     

第三代生物炼制的挑战与机遇

化学品和燃料的可持续生产以及缓解温室效应是目前人类面临的两大挑战.传统生物炼制技术可进行石化产品的替代生产,且绿色低碳;然而有些人类活动不可避免地产生碳排放,为了实现碳中和目标,迫切需要发展负排放技术以抵消这些排放.近年来,可直接将二氧化碳转化为燃料和化学品的第三代生物炼制技术为我们塑造低碳经济、实现碳中和提供了一个良好的解决方案.本文首先介绍固定二氧化碳的不同天然途径,随后概述可用于基于合成生物学理念设计的不同人工固碳途径;接着,讨论固碳途径能量的来源,特别强调非生物过程辅助的新型能量供给方式;随后,列举第三代生物炼制的生产实例,并讨论其在工业应用过程中值得注意的问题;最后,展望第三代生物炼制的主要优势和面临的挑战,并对未来的研究方向进行讨论.     

青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈

近几十年来,青藏高原正经历快速的气候变化,高原生态系统因此发生了深刻变化,并对周边地区产生了深远影响.本文围绕青藏高原生态系统结构和功能对气候变化的响应与反馈这一主线,系统总结了气候变化对物候、高山树线、生物多样性、植被生产力和生态系统碳汇功能的影响,阐述了青藏高原植被变化对区域气候的反馈及对亚洲季风的远程影响的研究进展.主要结论如下:气候变暖导致植被返青期总体提前,高原树线位置上升,高寒草原植物物种丰富度和多样性下降;气候变暖总体促进了高原植被生产力、增强了生态系统碳汇功能,但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏,目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性.同时,青藏高原植被变化对近地表气温产生"负反馈"作用;植被活动增强还对东亚季风产生远程影响,导致我国东部夏季降水变化呈现"华南增加-长江黄河中间区域减少"的空间分异格局.未来的研究需要在完善观测体系基础上,加强对高寒生态系统对气候变暖的适应机理及生物地球物理反馈等过程的认知,为优化生态系统管理和保障青藏高原的生态安全提供理论基础.     

干旱区荒漠无机固碳能力及土壤碳同化途径

干旱区荒漠的非生物固碳能力一些学者至今怀疑,关键在于地上通量观测到的CO_2吸收结果是否在土壤碳库得到体现.本研究在我国西北干旱区,将荒漠划分为砾质荒漠(戈壁)、沙质荒漠(沙漠)和壤质荒漠三大类,从颗粒组成、总含盐量、有机碳和无机碳含量等方面测定分析,研究不同类型荒漠土壤有机碳和无机碳(soil inorganic carbon,SIC)密度和储量变化,并与高寒生态系统进行比较.结果表明,不同类型荒漠平均0~30 cm表土层和1 m深土壤SIC密度分别为2.8和10.1 kg C m~(-2).相比较,壤质荒漠的SIC密度最高,1 m深土壤达到12.1 kg C m~(-2).针对土壤对CO_2的吸收和无机固定,提出土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念.荒漠生态系统固碳是植物碳同化与土壤碳同化,即有机和无机过程的结合,荒漠土壤无机碳密度和储量是有机碳的5倍.土壤碳同化途径分为3个阶段:CO_2与H_2O反应阶段、CO_2或弱碳酸与土壤溶液阳离子反应阶段、生成溶解碳酸盐与沉淀碳酸盐附着于土壤颗粒和向下沉积阶段.土壤碳同化能力随着土壤有机碳含量、含盐量、水分、粉粒和黏粒含量的增加而提高.     

土壤-植物体系中锌镉稳定同位素分馏研究进展

稳定同位素分馏技术对于示踪土壤-植物体系中重金属的迁移转化过程具有重要作用.本文阐述了土壤-植物体系中锌镉迁移转化主要涉及的土壤根际过程、根系吸收过程和根部-地上部转运过程及其对应产生的同位素分馏特征.在土壤根际过程,土壤固相对锌、镉的吸附解吸反应影响重金属在土壤溶液中的移动性和同位素组成:锌轻同位素、镉重同位素倾向于被土壤固相释放进入土壤溶液;植物根系活化作用则导致土壤固相结合的锌重同位素的释放.根系吸收过程影响土壤-植物间的同位素分馏:质外体吸附锌重同位素,共质体吸收过程中低亲合力转运系统产生锌轻同位素富集,高亲合力转运系统基本不产生分馏或略产生锌轻同位素富集;植物根系存在含硫基团结合镉,并且仅有低亲合力转运系统对镉轻同位素进行吸收转运.在根部-地上部转运过程,根部区室化作用影响植物体内重金属的迁移和地上部同位素组成:锌重同位素、镉轻同位素倾向于在根部储存,导致锌轻同位素、镉重同位素向地上部迁移.在土壤-植物体系中,锌镉同位素分馏现象存在明显差异,反映出植物对锌镉元素不同的吸收、转运和储存机制.     

潮滩生物-物理互馈机制与系统稳态效应研究进展

潮滩是海岸湿地系统的重要组成部分,在维持海岸生态系统健康、抵御海岸自然灾害、蓝碳固存等方面发挥着重要作用.潮滩为多种生物提供适宜生长环境的同时,不同类型生物也通过改变水、沙过程影响潮滩地貌演化与系统稳态.本文归纳了盐沼植被、底栖微藻对潮滩水动力、泥沙运动过程的生物-物理效应,提出了描述潮滩生物与泥沙在时间、空间尺度上反馈过程的概化动力学模型,分析了生物-物理互馈时间累积驱动下潮滩系统双稳态及稳态突变理论特性,总结了潮滩生物与周围物理条件空间自组织作用下的地貌形态形成机制,探讨了潮滩系统层面的连续性现场观测、生物种间作用对生物-物理互馈过程的调节,以及外界扰动下潮滩生物地貌系统稳态突变阈值定量模拟等方面仍面临的科学问题.     

生物电化学调控微生物代谢强化修复石油烃污染土壤的研究进展

石油烃污染问题已经逐渐成为全球性的土壤环境难题,亟需绿色低碳的新兴技术对其进行治理.本文从微生物代谢的视角,对生物电化学技术(microbial electrochemical technology, MET)在石油烃污染土壤修复方面的研究进展进行了综述.首先,分析了石油烃降解菌的代谢过程,找到了微生物降解石油烃的关键限速步骤;随后,探讨了MET调控微生物代谢机理及其强化石油烃降解机制,确定了电活性菌与石油烃降解菌互营代谢过程是强化石油烃去除关键所在;在此基础上,深入讨论了MET的关键性能参数对微生物互营过程的影响;最后,为落实“双碳”目标,剖析了植物耦合MET的潜在强化污染物去除机制并评估了多技术联合修复的必要性.虽然大量研究为MET强化修复石油烃污染土壤提供了理论支撑与技术支持,但由于污染场地环境多样性和不可确定性, MET的实际应用效果以及未来市场推广仍然需要进一步考量.     

水生环境中微塑料自身及负载有机污染物的生物富集效应

微塑料广泛存在于水体环境中,由于其具有较高的疏水性而能够负载有机污染物,同时影响它们在生物体内的累积与毒性.目前在微塑料对污染物生物富集过程的作用方面尚有分歧,其根源在于大部分的室内暴露研究往往缺乏对复杂环境介质的考量,而野外场景的模型分析又少了验证环节.生物富集和生物放大效应通常是对于传统污染物而言的,对于微塑料来说暂无明确的界定,本文就此展开详细讨论.本文归纳了野外或室内暴露的不同环境条件下,微塑料在水生生物体内的生物富集特点;分析了影响微塑料生物有效性的关键因素;探索了微塑料对共存有机污染物生物有效性的影响和规律;评估了关键水环境化学因素对微塑料和共存有机污染物在生物体内累积的影响.本文将有助于我们深入认识微塑料在水生生态系统中的累积情况,及其对共存有机污染物在生物体内运移的贡献和可能存在的生态风险,也将为微塑料风险评估及政策导向提供重要依据.     

我国东部土壤氮转化微生物的功能分子生态网络结构及其对作物的响应

农田土壤-植物系统的氮素循环影响了生产力和环境, 但土壤微生物之间的相互作用对氮素循环的影响机制仍不清楚, 同时这种相互作用如何响应种植作物等管理方式也不明确. 本研究在中国东部3个气候带, 选择3种典型的地带性土壤类型（寒温带黑土、暖温带潮土和中亚热带红壤）设置不种植（裸地, non-cropping）和种植玉米（cropping）的田间试验, 基于高通量基因芯片测定不同土壤共有的氮转化基因（核心氮转化基因）, 利用随机矩阵方法建立土壤核心氮转化基因的分子生态网络, 揭示种植玉米对土壤核心氮转化基因网络结构的影响. 研究表明种植玉米增加了土壤中大部分核心氮转化基因的丰度, 显著提高了核心氮转化基因网络的复杂程度. 网络拓扑结构的模块数由裸地处理的8个增加到种植玉米的28个. 裸地土壤核心氮转化基因网络有2个模块枢纽, 其关键基因为固氮基因（nifH）; 种植玉米后网络有9个模块枢纽, 其关键基因包含固氮（nifH）和反硝化基因（narG和nosZ）. 土壤核心氮转化基因的功能分子生态网络结构与植物、气候、土壤等因素显著相关, 说明农田管理和环境条件的变化可以通过改变微生物的分子生态网络结构, 影响其驱动农田养分循环的功能.     

桂林丫吉村表层带岩溶土壤系统中δ~(13)C值的变异

以桂林丫吉村岩溶试验场坡地岩溶土壤系统为对象,定位采集和测定分析了该系统中空气、植物体、土壤和水等系列样品的δ13C值.结果表明,岩溶土壤系统中δ13C值不仅存在土壤固相有机碳、土壤空气CO2和土壤水重碳酸盐等库间的广泛差异,而且有明显的深度变化和季节变化,7月的地面空气、土壤空气和土壤水的δ13C值比4月轻1‰～4‰（PDB）;系统中水、气相活跃迁移碳组分的δ13C值与土壤有机碳和土壤CO2有十分密切的关系.     

全球变化下的地下生态学: 问题与展望

生态学100多年的探索和发展主要集中在地上部分. 然而, 当今的生态学家已经越来越强烈地认识到, 鲜为人知的地下部分已成为生态系统结构、功能与过程研究中最不确定的因素, 因而严重制约着生态系统与全球变化研究的理论拓展. 自1990年代后期以来, 伴随着全球生态学研究的深入, 一个新兴的生态学领域——地下生态学(belowground ecology)开始形成, 并得到了快速发展. 地下生态学从不同学科层次探索地下部分的结构、功能、过程以及与地上部分的关系, 并特别关注其对全球变化的响应. 它的研究对象包括植物根系、地下动物和土壤微生物. 分析了生态系统地上和地下部分的关联、根系生态、根系生物地理, 以及地下生物多样性等方面的主要研究进展和亟待解决的问题, 着重评述地下过程对全球变化响应的若干理论问题, 指出地下生态学将是21 世纪生态学的重要发展方向.