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生物炭碳源驱动土壤微生物区系代谢作用研究

孙大荃  
【摘要】:一般认为,生物炭在土壤中具有“固碳减排”的潜力,同时兼备培肥土壤、修复污染物等作用。生物炭与土壤微生物间发生相互作用,一方面土壤微生物的活动影响生物炭的稳定性,另一方面生物炭也对土壤微生物区系结构乃至功能产生影响。在土壤系统中,生物及非生物因子共同调控土壤微生物区系。研究表明生物炭影响土壤微生物群系结构,然而相关的作用机理并不清楚。试验1中首先研究生物炭通过调节土壤理化性质(非生物因子)对土壤微生物群系的间接影响。通过物理手段将生物炭粒与土壤分离从而区别生物炭生境与周围土壤。采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术分析生物炭粒、周围土壤以及对照土壤中微生物区系结构。利用典型性对应分析(CCA)比较非生物因子包括有效氮、有效磷、有效钾、pH以及C/N对土壤微生物区系的贡献程度。结果表明生物炭粒中可培养真菌菌落数高于周围土壤及对照,但炭粒周围土壤中存在较高细菌丰度。尽管取样时间影响生物炭粒中细菌群系结构,但处理间(炭粒、周围土壤以及对照土壤)差异更明显。通过切胶测序并构建系统发育树,炭粒及周围土壤中检测到特异性条带序列可归入Bacillaceae、 Gemmatinomadetes、Phingomanas、Acidobacteria、Proteobacteria、Chloroflexaceae和 Actibacteria (相似度95%)和未知类(相似度85%)。典型性对应分析表明,C/N、有效磷和有效钾与真菌菌落数量显著相关,而C/N和有效磷主要与放线菌数量相关。总体而言,在短期内生物炭促进土壤中可培养微生物的繁殖,同时对细菌区系结构产生影响。尽管一般认为土壤微生物难以利用生物炭作为碳源,比如石墨烯组分,但是新制备生物炭表面附着的活性有机物质可能作为养分物质维持微生物繁殖乃至影响微生物群系结构。试验2主要研究新制备生物炭中活性有机碳组分对接种菌株以及土壤微生物区系结构的影响。将Bacillus mucilaginosus(植物益生菌)分别接种到3种农业废弃物制备的生物炭(蘑菇盘炭、玉米秆炭和水稻秆炭)中并测定繁殖情况,同时选择泥炭作为对照。利用热裂解-气质联用(Py-GC-MS)分析培养前后生物炭中活性有机碳组分。另外在3中生物炭炭中培养土壤全菌液,以灭菌原始土壤为对照。采用变性梯度凝胶电泳技术分析土壤全菌液中细菌及真菌区系。利用典型性对应分析(CCA)比较潜在理化因子包括pH、K、Na以及活性有机碳组分对土壤微生物区系的贡献程度。结果表明在培养初期玉米秆生物炭中Bacillus mucilaginosus繁殖受到抑制,可能与活性有机碳中某些具有抑菌作用的酚类有关。在货架期内,3种供试生物炭中接种菌种总体丰度水平与泥炭相当,表明生物炭作为植物益生菌载体的潜力。土壤全菌液接种到3中生物炭后,微生物区系结构发生明显变化,主要表现在细菌及真菌群系多样性方面。典型性对应分析表明生物炭中的活性有机碳组分与土壤微生物群系结构显著相关。因此新制备生物炭中活性有机碳组分不仅维持接种菌的繁殖,同时也是影响土壤微生物区系结构的主要原因之一。考虑微生物可以快速代谢新制备生物炭中活性有机碳组分,因此推测古老生物炭可能通过其他途径影响土壤微生物区系。目前诸多研究围绕新制备生物炭对土壤微生物群系结构的作用开展,但有关生物炭在老化过程中的作用研究相对匮乏。除活性有机碳外,生物炭中含有其他形式碳组分,许多成分与广义黑炭中的类似,因此研究老化生物炭对土壤微生物的影响可能对理解环境中黑炭的作用有所启示。试验3主要研究经过短期“激发效应”后生物炭对土壤微生物区系结构及功能的影响。利用454高通量测序研究老化生物炭粒、周围土壤及对照土壤中微生物群系结构,并通过测定表征细菌及真菌的氨基糖物质含量比较两者在生物炭老化过程的作用。采用热裂解-气质联用分析生物炭粒中碳组分的年纪(17月、27月和34月)动态。采用Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States Analysis (PICRUSt)分析整体细菌群系的功能。结果表明生物炭老化过程中,热解有机碳组成成分存在年纪差异。在土壤中老化34月后,生物炭粒中的胞壁酸含量明显高于周围土壤及对照土壤,但氨基葡萄糖含量仅略有提高,因此炭粒环境中胞壁酸与氨基葡萄糖比值明显高于其他处理,这说明在生物炭老化过程中细菌活动起主要作用。另外施入生物炭(炭粒以及周围土壤)对细菌群系结构的作用超过真菌群系结构。通过PICRUSt分析细菌群系的功能发现,炭粒环境中的细菌群系对外源异物质的代谢能力比周围土壤以及对照土壤高,推测与生物炭中类似外源异物质的活性有机碳以及中度稳定有机碳的分解有关。炭粒中细菌群系代谢碳水化合物的能力明显低于其他处理,这可以解释老化过程中炭粒中细菌活动较高但仍保持较高水溶性有机碳水平。考虑黑炭具有与生物炭类似的碳组成,因此推测黑炭在环境中也可能影响微生物代谢等功能。综上,尽管生物炭可以通过调节土壤理化性质间接影响土壤微生物区系,但新制备生物炭中的活性有机碳是主要影响微生物繁殖及结构的原因。另外,经土壤微生物代谢作用生物炭中中度稳定有机碳组分存在差异,表明生物炭的缓慢降解。伴随生物炭的类外源异物质可能驱动细菌群系的代谢功能,比如提高外源异物质的代谢能力,但降低代谢碳水化合物的能力。本研究从理论角度可能解释生物炭保持土壤有机质的原因。综合考虑,生物炭可能在开发微生物肥料以及土壤修复等领域具有应用前景。


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