雄黄矿区不同砷污染土壤中微生物群落结构及碳源利用特征

土壤砷污染是我国乃至世界范围内比较严重的环境问题.有关砷污染的生态毒理效应有很多研究,但对砷污染土壤中微生物群落的关注相对较少.本文以我国湖南省石门县雄黄矿地区长期砷污染土壤为例,采用PLFA及BIOLOG微平板技术考察了7个砷(As)污染程度不同的样点以及一个对照样点土壤微生物群落结构及碳源利用特征.结果发现,雄黄矿区存在多种重金属复合污染,除As含量较高以外,镉(Cd)和镍(Ni)的含量也超过了国家土壤环境质量三级标准.雄黄矿区土壤微生物的群落结构受到土壤有机碳(SOC)、有效磷(AP)、p H以及镁(Mg)、Cd、铁(Fe)、铜(Cu)含量的显著影响.各样点土壤微生物群落均以细菌为主,占微生物总量的71.54%~80.66%,真菌次之,放线菌最少.雄黄矿区土壤中的有效砷对微生物造成了较严重的胁迫.严重砷污染降低了微生物对于碳源利用的多样性以及均匀度.各样点微生物对于碳源的利用也表现出明显的差异.31种碳源中微生物利用较多的只有7类,分别属于糖类、胺类、羧酸类与多聚物,并且以糖类为主.     

喀斯特灌丛土壤丛枝菌根真菌群落结构及丰度的影响因子

运用末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和荧光定量PCR(real-time PCR)法,检测喀斯特灌丛生态系统中不同坡位条件下土壤丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌群落结构与丰度的变化,揭示不同坡位条件下影响灌丛生态系统土壤AM真菌群落结构与丰度的关键因子.研究结果表明不同坡位条件下,土壤有机碳、全氮和速效磷含量差异显著,变化趋势为上坡位≈中坡位下坡位;土壤AM真菌丰度变化趋势为上坡位≈中坡位下坡位.相关性分析表明,土壤速效磷含量与AM真菌丰度存在显著负相关(P0.05).RDA分析表明不同坡位条件下,土壤AM真菌与植物群落结构存在显著差异,植物均匀度指数显著影响土壤AM群落结构组成,而土壤有机碳、全氮显著影响植物群落结构组成.可见,不同坡位条件下,土壤养分与植物群落结构共同作用影响土壤AM真菌群落结构,说明利用AM真菌用于喀斯特地区植被恢复时,微形态(坡位)对AM真菌的影响应该纳入考虑范畴.     

秸秆还田配施氮肥对喀斯特农田微生物群落及有机碳矿化的影响

秸秆还田配施氮肥是调控农田土壤有机碳转化的重要措施,为认知秸秆配施氮肥对秸秆和长期施肥土壤有机碳矿化的作用机制,选取喀斯特长期施肥定位试验3种土壤(不施肥、无机肥、秸秆与无机肥配施),采用室内培养结合~(13)C示踪技术,设置不添加秸秆(对照组)及添加秸秆配施3种氮素水平处理(0、214. 0和571. 0 mg·kg~(-1),以干基土计),研究~(13)C标记的秸秆和土壤有机碳的矿化及其机制.结果表明,长期施肥土壤的秸秆CO_2排放量均显著高于不施肥土壤,且氮素水平显著影响不施肥土壤的秸秆有机碳矿化;长期施肥土壤激发效应均显著低于不施肥土壤,且低水平氮素配施降低秸秆添加引起的正激发效应,高水平氮素反而增大. PCA分析表明长期施肥、秸秆还田配施氮肥均显著改变土壤微生物群落,其中秸秆与氮素配施显著增加土壤总PLFAs、细菌和真菌PLFA摩尔质量浓度(与对照相比,增幅分别为40. 3%～53. 0%、41. 1%～62. 6%和60. 5%～148. 6%),但氮素水平影响不显著,土壤G~+/G~-降低并稳定在0. 8左右.结构方程模型结果表明,秸秆还田配施氮肥增加土壤DOC含量、影响土壤革兰氏菌群落结构,从而影响秸秆和土壤有机碳矿化.上述结果表明秸秆还田配施低水平氮肥有利于提升喀斯特农田土壤固碳能力.     

基于生物有效性的农田土壤磷素组分特征及其影响因素分析

适宜的磷素分级方法是研究磷素组分特征与评价其有效性的关键.以磷素的化学与生物活化特点,采用改进的生物有效性的磷素分级方法,应用其研究不同土地利用方式下旱地土与水田土中磷素组分与有效磷（Olsen-P）的关系,并分析环境因子对磷组分的影响.磷素分级方法将磷素分为4个组分：①自由扩散或根际截留的磷（CaCl₂-P）;②有机酸活化和无机弱结合磷（Citrate-P）;③系列酶矿化的有机磷（Enzyme-P）;④潜在活化的无机磷库（HCl-P）.结果表明,旱地土及水田土4种磷素组分含量均表现为：HCl-P > Citrate-P>Enzyme-P > CaCl₂-P,且旱地土各磷组分均显著高于水田土.Olsen-P与各磷素组分均呈显著正相关,表明各磷素组分对有效磷都有贡献.具体表现为：在旱地土中,Olsen-P与CaCl₂-P和Enzyme-P相关性较高（R²=0.359;R²=0.386）;在水田土中,Olsen-P与Citrate-P相关性较高（R²=0.788）,说明旱地土中有效磷主要来自土壤自由扩散的无机磷和易矿化的有机磷部分,而水田土中有效磷主要来自弱酸活化的无机磷.冗余分析结果表明,磷素组分主要受土壤pH和黏粒含量的影响,指示在农业生产活动中,可通过调节土壤pH值,提高土壤有效磷含量.     

丛枝菌根真菌砷酸盐还原酶基因RiarsC的克隆和功能分析

丛枝菌根真菌(AMF)在增强植物砷(As)抗性方面发挥着重要作用。已有相关研究表明,接种AMF能提高植物体内三价砷As(III)的比例,AMF可能参与了将五价砷As(V)还原为As(III)的过程从而提高了菌根植物的As抗性,但目前尚缺乏直接分子证据。本文从异形根孢囊霉(Rhizophagus irregularis)菌丝中克隆得到了一个砷酸盐还原酶基因RiarsC并进行序列分析。将该基因转入arsC缺陷型大肠杆菌(Escherichia coli)菌株WC3110(ΔarsC)中,通过As(V)抗性生长曲线和As形态测定,分析了该基因的功能。结果显示,RiarsC属于谷氧还蛋白-谷胱甘肽依赖的砷酸盐还原酶家族;RiarsC基因的表达显著提高了As敏感型E.coli菌株对As(V)的抗性,当培养基中As(V)浓度为100μmol·L-1时表现更加明显。As形态分析表明,表达RiarsC的E.coli菌株能够将培养基中71.03%的As(V)还原为As(III);与表达空载体的菌株相比,还原效率提高了61.98%。本研究证明了AMF的砷解毒还原能力,为进一步开展AMF的砷代谢机制研究提供了一定的分子生物学基础。     

稻田与旱地土壤中真菌和细菌对秸秆碳的利用特征

微生物将植物残体矿化为CO₂和同化为微生物细胞组成部分是新鲜有机物料转化为土壤有机质的关键环节.以亚热带两种典型农业利用（稻田和旱地）土壤为对象,采用40 d室内模拟培养试验结合磷脂脂肪酸-稳定同位素示踪联用(¹³C-PLFA-SIP)技术,研究¹³C标记秸秆的矿化特征以及参与秸秆降解的细菌和真菌类群变化规律.结果表明,培养前期（0.25～1 d）,秸秆碳在稻田土壤中的矿化速率高于旱地土壤,中期（2～20 d）以稻田土壤低于旱地土壤（P<0.05）,后期（21～40 d）两者矿化速率相当.培养结束时,秸秆碳在稻田土壤中的累积矿化率（11%）约为旱地（20%）的一半.尽管稻田土壤中总微生物量（PLFA总量）比旱地高,但两种土壤中秸秆碳被微生物同化为细胞组分的量(¹³C-PLFA)相当,且稻田中秸秆碳的富集比例(PLFA中¹³C占总碳量的百分比)低于旱地,说明稻田土壤中参与秸秆碳降解的活性微生物占比少.整个培养期内,稻田土壤中秸秆碳被微生物利用的优势类群为细菌(占^1...     

红壤丘陵区土壤有机碳组分对土地利用方式的响应特征

土地利用方式影响土壤有机碳(SOC)及其组分,进而决定了碳库的稳定性.以林地为参照,分析我国红壤丘陵区农田(水田和旱地)SOC及其活性组分[可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)和颗粒有机碳(POC)]和惰性组分[矿物结合态有机碳(MAOC)]含量,探讨土壤有机碳组分对土地利用方式的响应特征.结果表明,与旱地和林地相比,水田SOC、 MBC、 POC和MAOC含量均为最高.DOC含量以林地显著高于旱地和水田(P0.001).SOC各组分占SOC的比例,即DOC/SOC、 MBC/SOC、 POC/SOC和MAOC/SOC范围分别为0.22%～0.93%、 1.62%～2.70%、 31.08%～40.00%和43.22%～56.82%.活性组分(MBC和POC)含量与占比趋势一致,均以水田林地旱地.MAOC含量以水田最高、旱地最低,MAOC/SOC则以旱地最高、水田最低.相关分析表明,水田、旱地和林地中MBC、 POC和MAOC分别与SOC呈极显著正相关(P0.001),而DOC与SOC及其它组分均无显著相关性(P0.05);旱地、林地中POC与MBC呈极显著正相关(P0.001);水田、旱地MAOC与MBC呈极显著正相关(P0.001);3种土地利用方式下POC与MAOC呈极显著正相关(P0.001),POC/MAOC以水田最大,旱地最低.因而,与旱地和林地相比,水田SOC的活性组分比例高、惰性组分比例低,且其活性组分POC与微生物生物量关系不紧密,而惰性组分与微生物生物量显著相关.综上,农业利用显著改变红壤丘陵区土壤有机碳及其组成,水田虽有利于SOC固持,但其不稳定性组分占比较高,可能容易因不当耕作管理而丢失.     

有机物料投入对喀斯特地区土壤磷素赋存形态与含phoD基因细菌群落的影响

针对喀斯特地区有机物料盈余、土壤养分贫瘠和易流失的特点,设置长期有机物料还田小区定位试验,试验包括6个处理：不施肥对照（CK）、无机肥（NPK）、无机肥+玉米秸秆（NPKS）、无机肥+农家肥（NPKM）、无机肥+滤泥（NPKL）和无机肥+甘蔗灰（NPKA）.研究不同有机物料投入对土壤磷赋存形态和磷活化功能微生物（含有机磷矿化基因细菌）群落结构的影响.通过3 a断续的观测,结果表明,土壤全磷（TP）、速效磷（Olsen-P）和二钙磷（Ca₂-P）含量呈逐年增加趋势,而氯化钙磷（CaCl₂-P）含量呈先降低再增加的趋势;与不施肥对照相比,有机物料投入尤其是滤泥配施能显著提高土壤全氮（TN）、TP、Olsen-P、CaCl₂-P和Ca₂-P含量,其次是甘蔗灰和农家肥配施处理;相关分析表明,CaCl₂-P、Ca₂-P和Olsen-P均与土壤交换性钙（Ca-ex）含量显著正相关;冗余分析（RDA）表明土壤TN、Ca-ex、有机碳（SOC）和土壤全钾（TK）含量是影响土壤磷组分的关键因子.高通量测序分析含有机磷矿化基因（含phoD基因）细菌群落结果表明,与不施肥对照相比,秸秆还田配施无机肥处理显著增加土壤含phoD基因细菌丰富度,但各处理间含phoD基因细菌群落结构无显著差异.RDA分析结果表明,土壤Ca-ex、TK、Olsen-P、pH和SOC是驱动含phoD基因细菌群落变化的关键因子.总体上看,无机肥配施滤泥、甘蔗灰和农家肥是广西喀斯特地区农田土壤较为合适的养分管理方式.研究可为喀斯特地区有机废弃资源利用与土壤磷素管理提供科学依据.