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.     

植物-微生物共生系统功能强化及其在降污固碳中的作用

植物不仅为细菌等土壤微生物提供了丰富的生态位,还通过光合作用等固碳途径和合成代谢过程最终转化为土壤有机质,成为微生物可利用的碳源.相反,土壤微生物可以作为去除污染物的生物催化剂,也能帮助植物吸收氮、磷等营养物质.因此,植物-微生物共生系统具有降污固碳双重作用.本文围绕植物-微生物共生系统降解污染物和固定二氧化碳的两大生态功能,系统梳理了共生系统三个要素之间的相互作用关系.从植物、微生物和二者共生关系三个角度归纳了共生系统的污染修复途径,总结了植物和微生物的固碳机制.同时也分析了土壤中重金属和有机污染物对植物固碳过程造成的不利影响.本文最后对未来植物和土壤微生物在降污和固碳方面的研究进行了展望,旨在促进土壤污染的研究与治理,改善土壤生态系统的固碳功能.     

低浓度乙炔对森林土壤硝化和矿化作用及微生物氮的影响

利用温带森林表层土壤, 研究不同低浓度乙炔对土壤硝化和矿化作用及微生物氮含量的影响, 同时评价异养硝化对N₂O排放的贡献程度以及离树干不同距离对其的影响效应. 结果表明, 在土壤含水量约为45%WFPS时, 与对照(无添加乙炔)相比, 10~100 Pa乙炔均使土壤N₂O释放量显著降低, 不同乙炔浓度间无明显差异; 异养硝化对土壤N₂O释放量的比例在21%~48%之间, 距针叶树干越远其比例越高, 而阔叶树土壤异养硝化比例与距树干远近无关. 在实验条件下10~100 Pa乙炔对森林土壤微生物氮含量、氮素净矿化量以及呼吸作用均无显著性影响, 而100 Pa乙炔能使土壤呼吸呈现降低趋势. 基于森林土壤对10 Pa乙炔降解快和实验操作的便宜性, 选择50 Pa乙炔可较方便研究森林土壤N₂O排放来源及其影响机制. 距树干相同距离, 阔叶树土壤N₂O和CO₂释放量均高于针叶树; 同一树种下距树干越远的土壤N₂O和CO₂释放量越低. 逐步回归分析显示, 土壤碳总量和水溶性有机碳含量以及pH变化可以有效解释土壤CO₂排放量的95%变化; 土壤总氮, 交换态铵和微生物氮含量可以有效解释所观测N₂O排放量的72%变化, 其中微生物氮含量能够说明土壤异养硝化的25%变化. 不同浓度乙炔干扰下森林土壤N₂O和CO₂排放量分别与土壤净硝化率有正相关性.     

水稻土中微生物的砷转化基因多样性研究取得新进展

<正>最近,中国科学院生态环境研究中心、城市与区域生态国家重点实验室朱永官课题组采用实时定量PCR(qPCR)、末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)、以及构建克隆文库分析的方法,研究了采自于中国南方13个水稻田土壤样品中微生物的砷转化基因的丰度和多样性,证实砷氧化基因(aioA)、砷呼吸还原基因(arrA)、砷解毒还原基因(arsC)和砷甲基化基因(arsM)广泛地存在于水稻土中.     

碳氮添加对不同湿润程度的温带森林土壤氧化亚氮排放影响

采用室内土柱培养的方法,研究不同湿润程度(55%和80%WFPS)条件下外源碳(葡萄糖,6.4 g C m·2)和两种形态氮(NH4Cl和KNO3,4.5 g N m-2)的添加对温带成熟阔叶红松混交林和次生白桦林土壤氧化亚氮(N2O)排放量的影响.研究结果表明:除了高湿润程度单施NH4Cl的白桦林土壤外,湿润程度增加以及外源碳和氮添加均能显著促进两种林分土壤N2O排放量,并存在两两交互作用.葡萄糖添加使阔叶红松混交林和白桦林土壤在整个培养期内N2O累积排放量分别增加0.53~2.67和4.70~29.32 mg N2O-N m-2,尤其是高湿润程度和白桦林土壤更为明显;同时伴有葡萄糖添加后两种林分土壤矿质氮含量显著减少,特别是高湿润条件下白桦林土壤水浸提NO3-含量降低幅度更大.这说明了白桦林土壤N2O释放量对外源碳添加的激发效应更敏感,并随土壤湿度增加而加剧.低湿润条件下,培养初期外源氮添加显著抑制葡萄糖对土壤N2O排放量的促进作用,之后随着氮形态和林分类型而发生变化;高湿润条件下,外源氮添加显著增强葡萄糖对土壤N2O排放量的促进作用,且硝态氮强于铵态氮(P0.05).葡萄糖添加能增加两种林分土壤微生物碳含量和微生物碳/氮比(P0.05),显示可能改变土壤微生物群落结构.两种形态氮的添加均能增加两种林分土壤水和K2SO4浸提的溶解性有机氮(DON)含量,尤其是阔叶红松混交林土壤(P0.05),但两种形态氮之间无差异.多元线性逐步回归分析显示,实验条件下白桦林土壤N2O累积排放量受到WFPS、水浸提NH4+-N和水浸提DON含量及微生物碳/氮比的影响,共同解释其61%的变化,其中水浸提DON含量贡献率最大;阔叶红松混交林土壤N2O累积排放量受到WFPS、水浸提NH4+-N和微生物碳含量的影响,共同解释其50%的变化,其中水浸提NH4+-N含量贡献率最大.上述结果显示,加湿对森林土壤N2O排放量的增加与土壤活性氮含量、湿润程度和微生物量有关.     

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.     

亚微米磁铁矿强化反硝化降解苯酚和喹啉

导电性磁铁矿(Fe_3O_4)已被证实能促进厌氧微生物直接种间电子传递.然而磁铁矿在厌氧水处理过程中会被铁还原菌利用而溶解,造成大量磁铁矿随出水流失,影响其长期介导作用.基于此,本研究在微氧连续运行的活性污泥反应器(activated sludge reactor, AS)中投加亚微米级(0.1～0.3μm)磁铁矿建立Fe_3O_4/AS复合体系(R2),以强化反硝化生物降解苯酚和喹啉,并探讨其作用机理.结果表明,在微氧条件下(DO=0.5～1.0 mg/L)运行80 d后, R2体系有效缓解了磁铁矿的还原溶解,反应器中铁矿物主要以磁铁矿和针铁矿形式存在,其出水Fe~(2+)浓度始终保持在0.2 mg/L左右;当进水喹啉浓度为55 mg/L时, R2体系中化学需氧量、苯酚、喹啉、NO_3-N、总有机碳和总氮去除率比对照组R1分别提高了38%、49%、65%、64%、23%和98%.机理研究表明, R2中与反硝化和芳烃降解有关的菌属(如Denitratisoma和Azoarcus)丰度显著提升;磁铁矿刺激了胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)的分泌(约为R1的2倍)和污泥微生物间的凝聚;磁铁矿的加入显著提高了EPS中胞外电子穿梭体(血红素c和类腐殖酸)浓度以及与污染物降解和氮还原相关的酶活性(R2 EPS中脱氢酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶活性分别是R1的2.4、5.8和4.3倍),从而加快了芳烃降解菌与反硝化菌之间的电子传递速率,实现了Fe_3O_4/AS体系更好的脱氮除碳性能.     

中元古代海洋生物碳泵:有机质来源、降解与富集

碳循环是生命改造地球的最主要途径.海洋是地球上最大的活跃碳库,其储碳-释碳的异常波动对地球表层系统演化具有革命性影响.然而,中元古代无机碳同位素的相对稳定表明,地球碳循环达到了一个相对平衡的状态.因此,研究中元古代海洋中由微生物主导的碳循环对于我们认识地球宜居演化具有重要意义.本文从有机质来源、降解与富集等方面论证了中元古代海洋生物碳泵的主要地球化学过程,提出初始有机质来自以蓝细菌为主的多源生物,有机质降解有反硝化细菌、铁还原菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等多种微生物参与.以中元古界下马岭组为例,定量分析了受初级生产水平和水体氧化还原程度控制的微生物降解作用及降解程度,估算14亿年前的海洋惰性可溶碳库增储可能达1000×10¹²～2500×10¹²t,仅燕辽盆地埋藏的有机碳就达6000×10⁸t.最后,本文讨论了磷、铁供给对海洋碳循环的重要控制作用,提出未来开展高精度沉积地球化学解析和多元素循环精细建模研究的必要性.     

亚热带樟树和枫香林土壤呼吸动态特征

土壤呼吸是构成森林生态系统碳平衡的重要组成部分, 在全球碳平衡中扮演着十分重要的角色. 樟树(Cinnamo- mum camphora)是中国亚热带地区地带性植被常绿阔叶林的优势树种, 枫香(Liquidambar formosana)是次生演替早期的优势树种, 研究以这两种树种为主要组成的森林土壤呼吸有助于了解亚热带地区森林碳源汇时空分布格局及碳循环过程驱动因子. 本研究的目的是: (1) 比较樟树林和枫香林日、季动态特征; (2) 确定土壤温度和含水量对土壤呼吸日、季动态影响, 验证土壤呼吸与土壤温度和含水量之间的关系模型, 为模拟樟树和枫香林的土壤呼吸速率变化格局提供科学依据.     

中国南方4种林型乔木层地上生物量及其碳汇潜力

根据我国第5次(1994～1998年)和第6次(1999～2003年)森林资源清查数据,估算了热带亚热带8个省区4种主要林型(马尾松林、杉木林、硬阔林和软阔林)5个林龄组的乔木层地上生物量碳(TABC)与碳积累速率(TNEP).结果表明:(1)4种林型的TABC均随着林龄的增长而增加,阔叶林(硬阔林和软阔林)各林龄组的TABC均大于针叶林(马尾松林与杉木林)相应林龄组的水平,并且这种差距随着林龄的增长而增大;(2)4种林型的TNEP均随着林龄的增长呈现先增大后减小的趋势.阔叶林成熟阶段的TNEP远高于该阶段针叶林的水平;(3)利用logistic回归曲线分别拟合4种林型的TABC与林龄的关系(P<0.01,R2>0.95),预测了2010～2050年各林型乔木层地上部分的碳储量,同时计算同期4种林型的乔木层地上部分年均碳增汇量分别为41.14(马尾松林)、31.53(杉木林)、75.50(硬阔林)和75.68(软阔林)gCm2a1.基于森林资源清查数据估算和logistic回归曲线模拟的结果均表明阔叶林是更强的碳汇,并且在演替后期具有更大的碳吸存能力.相比于针叶林,阔叶林是我国热带亚热带区域碳汇林的最佳选择.     

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.     

生物合成材料聚β-羟基丁酸(PHB)的研究进展

聚β-羟基丁酸(PHB)是许多原核微生物在碳、氮营养失衡的情况下作为能量和碳源储藏在生物体内的一类热塑性聚酯.作为完全可生物降解材料,PHB越来越引起人们的关注.有力文章主要阐述了国内外PHB合成方法、性能改良、降解等方面的进展,并对其发展前景作出展望.     

地质微生物功能群: 生命与环境相互作用的重要突破口

微生物类型丰富、数量巨大, 是联系其他生物和环境的重要纽带. 但由于在地质体中保存下来的细菌和古菌缺乏形态和结构的多样性, 不能像动植物那样可以从形态上开展属种水平的研究, 这个难点问题一直影响着地质微生物的研究. 地质微生物功能群因在生理学、生态学和生物地球化学等方面的功能明确, 并能在地质体中留下各种记录而将成为瓶颈突破的关键点, 它是当前古生物学向地球生物学发展的一个重点研究内容. 本文评述了与碳、硫、氮和铁等重要元素代谢和循环有关的地质微生物功能群的特点、起源及其在地质体中的识别标志,分析了这些微生物功能群在参与形成地质历史时期的异常气候、硫化海洋、低浓度硫酸盐海洋、地质营养条件以及前寒武纪条带状铁建造等方面的重要作用.     

中国东北玉米农田生态系统非生长季土壤呼吸作用及其对环境因子的响应

对2004～2007年连续3a玉米农田生态系统非生长季(10月16日～翌年4月30日)的涡度相关系统测量数据分析表明,玉米农田生态系统非生长季的日土壤呼吸值为1.08～4.08gCO2·m-2,日最低值均出现在11月下旬.整个非生长季平均土壤呼吸值为(456.06±20.01)gCO2·m-2,占生长季净生态系统生产力的11%,土壤呼吸月平均最低值主要出现在1,2月份.非生长季日土壤呼吸的季节变化均呈非生长期起始期和终止期高、中间期低的变化态势.当10cm土壤温度高于0℃时,土壤呼吸与土壤温度呈显著二次曲线关系(P0.001),解释率为38%～70%;当10cm土壤体积含水量大于0.1m3·m-3时,土壤呼吸与土壤体积含水量呈显著二次曲线关系(P0.001),解释率为18%～60%.选取土壤温度高于0℃时的观测资料,耦合土壤温度和土壤含水量可得到更好的土壤呼吸模拟模型,解释率达53%～79%,土壤呼吸模拟值与观测值的回归估计标准误差为2.7%～11.8%.非生长季土壤呼吸是生长季土壤呼吸的22.4%,在东北地区玉米农田生态系统碳收支评估中具有重要作用.     

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.     

黏土矿物对病毒生物地球化学作用的影响探讨与展望

作为自然界丰度最高的生命体,病毒活跃于海洋、土壤、冰川等各类生态系统.通过侵染细菌、古菌及真核微生物,病毒在调控微生物群落和元素生物地球化学循环过程中扮演着关键角色.在自然环境中,病毒与无机或有机颗粒存在广泛的相互作用.黏土矿物是广泛分布于陆地和海洋环境的无机颗粒,陆地生态系统中的黏土矿物可在大气、河流和冰川的作用下搬运至海洋,并在水体中沉降形成深海沉积物.黏土矿物对病毒具有高度亲和力,影响着环境中病毒的丰度、活性和感染能力.因此,黏土矿物对病毒介导的生物地球化学循环过程有着重要的影响.本文从各类生境中病毒的生态功能、病毒的生物地球化学作用模型和黏土矿物对病毒的吸附作用3个方面进行了概述,并讨论了陆地和海洋生态系统中黏土矿物的吸附作用对病毒功能和生物地球化学作用的潜在影响,提出黏土矿物是影响病毒驱动的生物地球化学循环不可忽视的因素,未来应将黏土矿物作为评估病毒生物地球化学作用的参数之一.     

深海病毒的特征及其生态学功能探讨

病毒是自然环境中丰度最高的生物类群,对海洋生态系统中的物质能量循环和种群平衡调节发挥着不可或缺的作用.深海是海洋生态系统的重要组成部分,深海微生物面临多重极端环境压力.近年来,深海病毒相关的研究揭示了其在深海环境中的高丰度和多样性,以及其重要的生态学功能.本文从深海病毒的主要特征、与环境因子的相关性、深海病毒的分离与鉴定及其生理及生态功能这4个方面进行了概述,并对未来研究的潜在方向做了展望.     

中山湿性常绿阔叶林系统发育和功能性状的α及β多样性

群落构建机制一直是群落生态学研究的核心问题.群落系统发育和功能性状的α及β多样性为探讨生态位过程和中性过程在局域群落构建中的相对作用提供了新的视角.本研究以哀牢山6 hm2中山湿性常绿阔叶林动态监测样地为研究平台,基于DNA条形码构建的群落系统发育树和树种8个关键功能性状,结合地形数据,分析不同生活史阶段树种在不同空间尺度的系统发育和功能性状α及β多样性.研究表明:(1)各生活史阶段树种在不同空间尺度上均表现出非随机的系统发育和功能性状结构,系统发育和功能性状聚集程度随空间尺度的增大而增大;(2)在所有空间尺度上,系统发育和功能性状的周转都为非随机,并且环境距离对系统发育和功能性状β多样性的解释程度均高于空间距离.研究结果揭示了环境过滤在中山湿性常绿阔叶林群落构建中起主导作用.     

环境筛选、扩散限制和生物间相互作用在温带落叶阔叶林土壤跳虫群落构建中的作用

群落构建机制是土壤动物群落生态学的重点内容之一.相关研究证明,扩散限制、环境筛选和生物间相互作用可能是土壤动物群落构建的重要调控机制,但少有基于小尺度的系统研究.本文在黑龙江省帽儿山森林生态系统研究站的温带落叶阔叶林内,于2012年8月设置3个5 m×5 m的样地,探讨扩散限制、环境筛选和生物间相互作用在小尺度土壤跳虫群落构建中的作用.基于环境主分量因子(PCs)和Moran特征向量图(MEMs),用变差分解的方法来区分环境筛选和扩散限制的调控作用,并基于偏Mantel检验进一步分析环境变量和空间变量的调控作用.用零模型模拟的方法来说明土壤跳虫群落物种的共存格局、识别群落水平的显著物种对,同时计算环境生态位重叠度指标和体型大小比例来说明生物间相互作用和环境筛选在跳虫群落构建中的作用.变差分解结果表明,扩散限制对土壤跳虫群落具有较大的显著方差解释量,而环境筛选和空间环境结构的解释量相对较小且不显著;偏Mantel检验进一步表明,扩散限制对样地Ⅰ跳虫群落具有重要的贡献;RDA分析表明,土壤有机质、土壤含水量、凋落物干重等环境变量对土壤跳虫群落具有显著的影响,表明环境变量对跳虫群落的重要作用.群落水平零模型分析表明,土壤跳虫群落表现为非随机的共存格局;群落中发现较少的显著物种对,且显著负相互作用的物种对群落构建可能没有显著的作用;体型大小比例和环境生态位重叠度指标表明,土壤跳虫不是竞争性的群落结构,说明环境筛选具有重要调控作用.本研究表明温带落叶阔叶林小尺度土壤跳虫群落主要受到扩散限制和环境筛选的共同调控,生物间相互作用的驱动作用并不显著.     

利用单细胞扩增技术解析母婴间肠道微生物构成及功能

微生物在人体中扮演重要角色,而婴儿早期微生物对日后健康发育至关重要.微生物可通过产道和母乳这2种主要途径从母亲传递给婴儿.本研究利用单细胞扩增技术对3对母婴粪便样品(共48份细菌悬液)进行宏基因组测序分析,旨在探究母婴间肠道微生物构成并对相关功能基因作出分析.结果显示,每对母婴间微生物尽管含量不同,但种类都高度相似(99%).三婴儿中,一个顺产婴儿显示与其母亲有相似的高丰度物种,如Roseburia hominis,Roseburia intestinalis,Eubacterium rectale,Eubacterium eligens等;另2个剖腹产婴儿显示与皮肤、口腔相关的高丰度物种,如Propionibacterium acnes,Staphylococcus saprophyticus/S.haemolyticus,Delftia acidovorans等.剖腹产婴儿中拟杆菌少于顺产婴儿,如Bacteroides(B.)fragilis,B.helcogenes,B.salanitronis等.本研究共检测到1283种细菌,除常见的人体肠道微生物外,还检测到4个低丰度物种,分别是Lactobacillus(L.)amylovorus,L.kefiranofaciens,L.sanfranciscensis和Bifidobacterium asteroids.粪便样品功能宏基因组显示,婴儿粪便中富有与碳水化合物相关的磷酸转移酶系统(PTS)和β-葡萄糖苷酶基因.本研究初次使用单细胞扩增技术对母婴间肠道微生物组成及功能做出探索,获得了较高测序深度及物种多样性,发现了之前鲜有报道的低丰度物种,证实单细胞扩增技术可用于后续不同生态环境微生物领域的研究.