微生物研究在土壤质量评估中的应用

为了防止土壤退化,实现资源的持续利用,必须对土壤质量进行评估.传统的理化指标已难满足需要,寻找能够全面反映土壤质量动态变化和判别胁迫环境或人为干扰下土壤质量变化的灵敏指标,已成为土壤生态学的研究热点.土壤微生物是土壤生态系统的重要组分,在生物地球化学循环过程中有重要的作用,对土壤环境变化和胁迫的反应十分灵敏.但由于土壤微生物种类繁多且难以培养,限制了其在土壤质量评价中的应用.近年来围绕土壤微生物总量、活性和组成的测定发展出了很多新的技术,如微生物生物量测定、土壤酶活件测定、土壤诱导呼吸强度测定、Biolog微量分析、纯培养、磷脂脂肪酸谱图分析和分子生物学技术等,极大地促进了微生物指标在土壤质量评价中的应用.本文就这3个方面的土壤微生物研究技术及其在土壤质量评价中的应用进行评述.表1参70.     

环境微生物群落分析的T-RFLP技术及其优化措施

末端限制性酶切片段长度多态性分析(terminal restriction fragment length polymorphism, T-RFLP)是近年来发展起来的、不依赖于培养的微生物群落分析方法之一.由于其在微生物群落结构分析方面的特点,包括分辨率高、易于实现自动化及互联网海量数据共享等优势,自1997年最先被报道以来得到了广泛的应用,成为环境微生物群落分析的最强有力的工具之一.本文详细介绍了T-RFLP技术的原理,并从环境样品群落DNA的提取、引物设计和PCR扩增、限制性酶切、电泳分离检测和T-RFLP图谱解析等5个方面讨论了用该技术解析环境微生物群落的方法和技巧,简述了近8 a来国外T-RFLP技术在群落分析中的研究进展.类似于其他的分子微生物生态学技术, T-RFLP也有自身的缺陷,因此重点分析了该技术的局限性及相应的解决办法.图2表1参62     

城市大气颗粒物表面半醌自由基的测定及特征分析

采集上海市城区和郊区两个典型站位的大气颗粒物样品,通过二氯甲烷萃取分离并利用电子自旋共振波谱技术(ESR)分析测定吸附在颗粒物表面的稳定自由基.结果显示,测试样品的波谱特征表现为显著的三重信号峰,且g因子值均在2.00379—2.00395范围内,通过与醌类标准物质图谱比对,可以判断颗粒物表面至少吸附1种邻位半醌自由基.对自由基分布特征研究发现,自由基浓度的时空变化和粒径分布特征显著:闵行采样点的半醌自由基浓度远高于普陀采样点;在季节变化上表现为夏秋季半醌自由基浓度低于冬春季,其中春季最高,夏季最低;半醌自由基在不同粒径颗粒上的分布,呈现PM2.5>PM10>TSP的变化规律,说明自由基更容易富集在细颗粒上.     

辽东湾大凌河口湿地土壤微生物群落分析

土壤微生物对湿地生态系统的物质转化和能量流动具有重要作用,目前对天然湿地的微生物资源及群落结构缺少研究。应用PCR-DGGE技术研究辽东湾大凌河口湿地土壤中的微生物群落结构,并对其群落组成进行分析,结合冗余分析（RDA）方法考察环境因子对微生物群落结构的影响。共设定7个站位采集土壤样品,直接提取样品中微生物的总DNA,以巢式PCR扩增细菌16S rDNA-V3区片段,应用变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术分离片段,研究河口区湿地土壤细菌的群落结构。结果表明：辽东湾大凌河口区土壤具有较为丰富的细菌种群,主要包含Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes几大类门,且同一季节采集的样品在聚类分析图上聚类成簇。RDA分析表明,土壤的温度与盐度2个变量分别解释了6.5%、2.3%的土壤细菌群落结构变化,表明大凌河口区土壤的群落结构变化是多种环境因子共同作用的结果,其中温度的影响略大于盐度。     

生态经济区城市化与生态环境整合动态评价--以雅安市为例

在对雅安市实例评价中,综合考虑了城市化质量、环境和生态3个子系统,最终选取了42个要素指标,建立了3级城市化与生态环境整合评价指标体系;将灰色关联度分析法用于整合动态评价,用层次分析法确定各级指标权重。在参考国家标准值和国内良好特色城市现状值的基础上,结合雅安实际,构造了各项对应指标的目标序列,将其作为该市2007年目标值,计算得到各子系统分指数和整合指数,对其变化趋势和关联性进行了评价分析,发现雅安市正处于强生态弱城市化的勉强协调发展阶段。     

浓香型白酒窖泥微生物群落PLFA指纹图谱方法

针对白酒发酵过程中窖泥微生物群落的特殊性,以不同类型泥土和常见酿酒微生物为研究对象,构建了研究浓香型白酒窖泥微生物群落的磷脂脂肪酸(PLFA)指纹图谱法.结果表明:不同类型样品PLFA指纹图谱的显著差异(P<0.05)体现为样品PLFA的组成及含量受其生理及环境条件的影响,发生了显著的变化(花园和路旁泥土的真菌与细菌特征PLFA的比值分别为0.30和0.66,均小于1,而窖泥为1.17);5种常见微生物纯培养物加入窖泥后使得与其类型相对应的特征PLFA含量变化显著(添加SICC1.13的窖泥中a14:0增加了1.44倍,CICC20633使a16:0增加了9.92倍,SICC3398使18:2ω6,9增加了82.58倍,SICC31482使18:2ω6,9增加了90.33倍,添加DH5α的窖泥中检出了cy17:0)(P<0.05);应用主成分分析(PCA)揭示了窖泥中加入不同微生物菌株后其特征PLFA的组成及含量的变化规律.研究佐证了PLFA指纹图谱法是一种表征酿酒过程微生物群落指纹图谱快捷的生化免培养法.     

北京市典型有机设施蔬菜基地重金属污染特征及风险评估

为研究北京市典型有机设施蔬菜基地重金属污染状况,采用野外调查及室内分析法,选取北京市5个有机设施蔬菜基地中125个土壤样品和77个蔬菜样品进行了Pb、Cd、Cr、As和Hg含量的检测、统计分析与评价,对土壤重金属含量与土壤理化指标进行了相关分析,研究了重金属在蔬菜中的迁移规律,并结合美国环保署(US EPA)推荐采用的健康风险评价模型,评价由于蔬菜摄入导致的成人和儿童的健康风险。结果表明,5个设施蔬菜基地中有极少数土壤样本Cd含量超标,有极少数叶菜样本Cr含量超标,其他重金属含量均未超标。污染指数评价表明5个基地土壤重金属污染排序为:基地5基地1基地3基地2基地4,主要由土壤Cd累积所致。土壤重金属与理化性质相关性表明,5种重金属含量都受土壤的理化性质影响较大。总体上,5种重金属在土壤-蔬菜中迁移能力排序为:CdHgAsCrPb,在不同类蔬菜中的富集系数排序为:叶菜类茄果类瓜果类豆菜类。5种重金属造成的目标危害系数大小依次为:CdPbAsHgCr,不同类蔬菜的综合重金属目标危害系数值排序为:叶菜类茄果类瓜果类豆菜类,所有蔬菜单一重金属目标危害系数和复合危害系数都远小于1,说明单一重金属和复合重金属污染对成人和儿童都没有明显的负面健康影响。     

化学-生物絮凝污水处理工艺中微生物群落结构变化分析

利用分子生物学技术，直接从化学-生物絮凝工艺的活性污泥样品中提取DNA，对16S rDNA V3区进行PCR扩增，结合DGGE（变性浓度梯度凝胶电泳），分析了活性污泥中微生物群落结构，并对Shannon多样性指数进行分析讨论，通过研究指出系统中细菌数量的增加或减少．测定了活性污泥中部分菌种的16S rDNA V3区片段序列，通过NCBI（美国国立生物技术信息中心）基因库比对，初步确定细菌的属．结果表明，PCR—DGGE结合测序技术是一种完全可行的快速进行环境样品微生物研究的分析方法．图3表4参13     

南极中山站排污口土壤中微生物群落的DGGE分析

以南极中山站排污口土壤为研究对象,提取样品中微生物宏基因组DNA,用变性梯度凝胶电泳(DGGE)对宏基因组DNA中的16S rRNA基因V3可变区进行分析,测定了31个不同条带所代表的序列.比较结果显示,排污口土壤样品与相同生境对照样品中的微生物类群组成均以CFB (Cytophaga-Flexibacteria-Bacteroides)类群和γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)为主,另外还有少量的α-, β-, δ-变形菌纲,和一些原核的藻类和革兰氏阳性细菌(G ). 但在排污口土壤样品中检出了传染性微生物毛球菌属(Trichococcus)和狡诈菌属(Dolosigranulum),以及丰富的小球藻(Chlorella),说明污水的排放已经对该地微生物群落造成明显的影响.     

我国主要花生品种的AFLP分析

对32个来源于中国不同产地的花生品种进行了AFLP指纹图谱及相似性聚类分析．结果表明：所有供试花生品种的遗传相似性为35％，在45％的相似性水平处分为3个群，表明我国的花生品种存在遗传多态性．AFLP指纹图谱分析技术能很好地反映出花生品种之间存在的遗传差异．图2表1参26     

The effect of imazethapyr on soil microbes in soybean fields in northeast China

Large quantities of herbicides are used on agricultural soils, but the effects of herbicides on the structure of the soil microbial community have not been well investigated. In this study, soil from three soybean fields was investigated. The herbicide imazethapyr was applied in one year to soil 1 and in two sequential years to soil 2. Control soil received no imazethapyr. Microbial biomass and community structure were characterised using chloroform fumigation–extraction and phospholipid fatty acid (PLFA) determination. The imazethapyr residue was 1.62 μ g·kg^?1 in soil 1 and 1.79 μ g·kg^?1 in soil 2. The microbial biomass carbon and total PLFAs for soil 2 were much higher than for the other soils. PLFA profiles showed that fatty acids for Gram-negative and Gram-positive bacteria, as well as total bacteria and total fungi in soil 2 were higher than in other samples. Principal component analysis of the PLFAs showed that the structure of the microbial community differed substantially among the three different soybean field soils. Application of the herbicide imazethapyr to soybean fields clearly changed the soil microbial biomass and shifted the structure of the microbial community.     

植被恢复的生态效应研究进展

植被在水土保持、水源涵养及生态系统的固碳过程中起着重要的作用。植被恢复是指运用生态学原理,通过保护现有植被、封山育林或营造人工林、灌、草植被,修复或重建被毁坏或被破坏的森林和其他自然生态系统,恢复其生物多样性及其生态系统功能。目前,植被的自然及人工恢复是改善脆弱生态系统及退化生态系统生态环境现状最有效的措施。植被在恢复过程中对地上植被生态系统,物种多样性的恢复有着重要影响,同时通过凋落物及根系的输入,可以有效改善地下生态系统,增加土壤的养分含量、改善土壤的物理结构、增加土壤生物的生物量及活性。文章以地上及地下生态系统为出发点,综述了植被恢复过程中自然及人工恢复过程中不同的植被类型、不同的恢复时间下植物物种组成和多样性、土壤理化性质及土壤微生物群落的变化。植被的自然及人工恢复在一定程度上均能增加植物物种的多样性,随着恢复年限的增加物种的组成发生改变且多样性呈增加趋势,但一些特殊环境下不当的人工恢复可造成植被演替向退化方向发展,降低生物多样性。不同的植被类型由于其生长方式的不同对土壤理化性质和土壤微生物的影响存在差异,随着恢复年限的增长,土壤理化指标及微生物学指标呈现先增加而后趋于平稳的状态。针对已有的研究进展,提出在未来的研究过程中,一方面应该增加更多的对比研究,对不同环境下,不同的恢复物种,不同的恢复方式进行更深入地探讨;另外一方面应增加不同尺度的研究,现有的研究多集中在样地尺度,未来应在更大尺度上进行分析;再者,地上及地下生态系统之间的相互关系及影响机理一直是土壤学科研究的热点,植被恢复过程中应增加更多该方面的机理研究。     

土壤微生物生物量及多样性测定方法评述

土壤微生物作为土壤中重要的分解者,在养分的循环与转化中起着重要的作用。另外,由于其与土壤理化性质相比,对外界环境的变化更为敏感,因此,土壤微生物性质常被用作表征土壤质量的灵敏性指标,而土壤微生物生物量与微生物多样性是土壤微生物学研究中应用最广泛的指标。土壤环境复杂,微生物种类丰富多样,需要合适的研究方法才能真正打开土壤系统这个黑箱,自19世纪60年代以后,土壤微生物学在研究方法上取得了重要的进展,本文综述了微生物生物量及多样性的概念及微生物生物量和多样性研究方法的发展状况,重点就已有应用比较多的研究方法如测定微生物生物量的熏蒸法,测定微生物多样性的平板计数法、Biolog微平板计数法、磷脂脂肪酸法及分子生物学等研究方法进行了详细介绍及优缺点分析。结合现有微生物生物量及多样性的测定方法,在未来的研究中,一方面应该引入更多的新技术,发展新方法,以期探索更多的未知微生物种群;其次应该根据实验要求,完善和改进现有研究方法,使其更为统一和准确;再者,在微生物数据的分析上应该探索和借鉴更多的分析方法和手段,从而更深入更全面的解读实验当中所得到的微生物的信息。     

土壤微生物生物量及多样性测定方法评述

土壤微生物作为土壤中重要的分解者,在养分的循环与转化中起着重要的作用。另外,由于其与土壤理化性质相比,对外界环境的变化更为敏感,因此,土壤微生物性质常被用作表征土壤质量的灵敏性指标,而土壤微生物生物量与微生物多样性是土壤微生物学研究中应用最广泛的指标。土壤环境复杂,微生物种类丰富多样,需要合适的研究方法才能真正打开土壤系统这个黑箱,自19世纪60年代以后,土壤微生物学在研究方法上取得了重要的进展,本文综述了微生物生物量及多样性的概念及微生物生物量和多样性研究方法的发展状况,重点就已有应用比较多的研究方法如测定微生物生物量的熏蒸法,测定微生物多样性的平板计数法、Biolog微平板计数法、磷脂脂肪酸法及分子生物学等研究方法进行了详细介绍及优缺点分析。结合现有微生物生物量及多样性的测定方法,在未来的研究中,一方面应该引入更多的新技术,发展新方法,以期探索更多的未知微生物种群;其次应该根据实验要求,完善和改进现有研究方法,使其更为统一和准确;再者,在微生物数据的分析上应该探索和借鉴更多的分析方法和手段,从而更深入更全面的解读实验当中所得到的微生物的信息。     

Development and applications of functional gene microarrays in the analysis of the functional diversity, composition, and structure of microbial communities

Functional gene arrays (FGAs) are a special type of microarrays containing probes for key genes involved in microbial functional processes, such as biogeochemical cycling of carbon, nitrogen, sulfur, phosphorus, and metals, biodegradation of environmental contaminants, energy processing, and stress responses. GeoChips are considered as the most comprehensive FGAs. Experimentally established probe design criteria and a computational pipeline integrating sequence retrieval, probe design and verification, array construction, data analysis, and automatic update are used to develop the GeoChip technology. GeoChip has been systematically evaluated and demonstrated to be a powerful tool for rapid, specific, sensitive, and quantitative analysis of microbial communities in a high-throughput manner. Several generations of GeoChip have been developed and applied to investigate the functional diversity, composition, structure, function, and dynamics of a variety of microbial communities from different habitats, such as water, soil, marine, bioreactor, human microbiome, and extreme ecosystems. GeoChip is able to address fundamental questions related to global change, bioenergy, bioremediation, agricultural operation, land use, human health, environmental restoration, and ecological theories and to link the microbial community structure to environmental factors and ecosystem functioning.     

重金属污染降低水稻土微生物商并改变PLFA群落结构——苏南某地污染稻田的案例研究

重金属污染可能影响土壤中微生物生物量与活性及群落结构.但这种影响随土地利用和土壤类型、污染物类型而异.采集了江苏南部某市金属冶炼产业区周边重金属污染的稻田和未明显污染稻田的表土样品,分析了重金属复合污染下土壤微生物生物量以及PLFA群落结构的变化.结果表明,重金属污染下稻田土壤的微生物生物量碳、氮及微生物商比未明显污染的土壤显著降低(约20%);PLFA分析显示,重金属污染下土壤微生物群落结构发生了明显的变化,细菌和真菌PLFA的变化幅度达到30%以上,革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的脂肪酸比值升高,而真菌/细菌的比例降低了约70%.这种改变可能进一步影响到土壤中C、N等养分的生物地球化学循环,这有待深入的研究.     

氮沉降增加对土壤微生物的影响

综述了国外氮沉降对土壤微生物的影响研究现状，主要从土壤微生物群落结构组成及功能等方面对氮沉降的响应进行了综述，并从微生物对底物的利用模式及碳分配状况，pH值的变化方面初步探讨了土壤微生物对过量氮沉降的响应机制。研究表明，过量氮沉降会给土壤微生物在以下几个方面带来负影响：首先，改变微生物群落结构组成，表现为土壤真菌细菌相关丰富度发生改变，真菌生物量的减少，真菌／细菌生物量比率的减少，土壤微生物量的减少，微生物群落结构发生改变；其次，改变微生物功能，表现为减少土壤呼吸率，土壤酶活性的降低，改变微生物对底物的利用模式等等。此外，文章还指出出未来该方面研究重点和方向。     

Ecological consequences of carbon substrate identity and diversity in a laboratory study

Plants return a wide range of carbon (C) substrates to the soil system. The decomposition rate of these substrates is determined by their chemical nature, yet few studies have examined the relative ecological role of specific substrates (i.e., substrate identity) or mixtures of substrates. Carbon substrate identity and diversity may alter soil chemistry and soil community composition, resulting in changes in belowground ecosystem functions such as decomposition and nutrient transfer, creating feedbacks that may affect plant growth and the aboveground community. A laboratory experiment was set up in which eight C substrates of varying chemical complexity were added to a base soil singly, in pairs, fours, or with all eight together every four days over a 92-day period. After 92 days these soils were analyzed for changes in chemistry, microbial community structure, and components of ecosystem functioning. The identity of the added C substrates significantly affected soil chemistry, microbial basal and substrate-induced respiration, and soil microbial community structure measured by either the catabolic response profile (CRP) technique or phospholipid fatty acid composition. These belowground changes strongly affected the ability of the soil microflora to decompose cellulose paper, probably because of differential effects of the C substrates on soil energy supplies and enzyme activities. The addition of C substrates to soils also reduced plant growth compared to the unamended control soil, but less so in soils amended with a tannin than those amended with other substrates. Carbon substrate diversity effects saturated at low diversity levels, tended to have neutral or negative effects on ecosystem functions, and depended strongly on which C substrates were added. It increased CRP compound use but had little effect on other measures of the soil microbial community. Overall, results showed that the chemical nature of C substrates added to soil, and sometimes their diversity, can affect the soil microbial community and soil chemistry, which subsequently affect other ecosystem processes such as decomposition and plant growth. The identity and diversity of substrates that plants add to soil may therefore have important consequences for both above- and belowground ecosystem functions.