【摘要】：阿特拉津是玉米农田中广泛施用的一种除草剂,加之玉米在我国东北黑土区具有较为广泛的种植面积,因此使得阿特拉津在东北黑土区的施用量尤为巨大,其对东北黑土区的生态环境质量及各类生物健康的潜在威胁更为严重。黑土是保障我国东北黑土区粮食产量不可或缺的一种自然资源,关注阿特拉津对黑土氮循环关键过程-固氮作用、硝化作用的扰动规律,微生物功能基因丰度与多样性的响应规律,阿特拉津对黑土固氮作用和硝化作用的影响,以及从分子水平揭示其相关机制具有重要的研究价值。基于上述研究背景,本文着重研究不同浓度阿特拉津胁迫对黑土氮素含量及其转化规律的影响;在此基础上,借助荧光定量PCR技术进一步研究黑土固氮与硝化过程关键功能基因丰度在不同浓度阿特拉津胁迫水平与胁迫时间条件下的动态变化规律;最后借助高通量测序技术从微观角度阐释阿特拉津对黑土固氮与氨氧化关键微生物群落多样性的影响特征。主要研究结果概括如下:通过测定不同阿特拉津胁迫浓度和不同培养天数的土壤样品,有关氮循环过程中各氮素指标变化如下:在培养初期(0 d),与空白处理相比,高于20 mg/kg的阿特拉津胁迫显著的增加土壤中硝态氮的含量,低于20 mg/kg的阿特拉津胁迫处理土壤样品中的硝态氮含量无显著差异;在培养初期(0 d),与空白处理相比,阿特拉津胁迫能够显著抑制土壤中铵态氮的含量,但抑制的剂量-效应关系并不明显。在试验终点时(30 d),各试验处理(空白处理与污染处理)土壤样品中铵态氮含量差异不再显著;在整个试验阶段(0-30 d),矿化态氮、总氮浓度随着时间的递增而降低,在各阿特拉津胁迫处理下的土壤中,矿化态氮、总氮浓度呈显著性的降低。上述4个指标说明在不同浓度阿特拉津胁迫水平与胁迫时间下,土壤中氮素及其转化产生了明显的变化。在整个试验阶段(0-30 d),随着阿特拉津胁迫时间的增加,各阿特拉津胁迫处理土壤样品脲酶、蛋白酶含量与空白处理无显著性差异,各处理脲酶的活性均呈逐渐增加的趋势,而各处理蛋白酶的活性均呈逐渐升高再降低的趋势。说明在不同浓度阿特拉津胁迫水平与胁迫时间下,土壤中氮素转化关键酶受到了不同程度的影响。在整个试验阶段(0-30 d),随着阿特拉津胁迫时间的增加,各阿特拉津胁迫处理土壤样品微生物量氮的含量呈逐渐升高后降低的趋势,而微生物量碳的含量均呈逐渐升高再降低的趋势。在试验终(30 d)空白处理中微生物量氮的含量下降程度达到显著水平,阿特拉津浓度为100 mg/kg的土壤样品中微生物量氮的含量与空白处理相类似。在培养的中期(0-15 d),空白处理中的微生物量碳含量上升程度不显著,与空白处理相比,低于50 mg/kg的阿特拉津胁迫处理土壤样品微生物量碳含量显著升高。借助荧光定量PCR技术研究土壤氮素转化关键基因丰度,各试验处理(空白处理与污染处理)土壤固氮功能基因(nif H)丰度在培养中后期(15-30 d)随着时间的增加而明显增加,说明土壤固氮功能基因的丰度受到了促进作用;土壤氨氧化功能基因(amo A)丰度在低浓度阿特拉津(0 mg/kg、20 mg/kg)处理下,随着胁迫时间的增加先降低后增加,而在高浓度阿特拉津(100 mg/kg)处理下,随着时间的增加,土壤氨氧化功能基因丰度先增加后降低,表明土壤氨氧化功能基因丰度在培养过程中受到了一定的影响。基于高通量测序技术研究土壤固氮与氨氧化群落多样性的结果表明:各处理土壤样品的功能基因多样性受阿特拉津浓度与胁迫时间影响。由土壤多样性指数(Chaol、Ace和Shannon)分析可知,在试验后期(30 d),阿特拉津浓度为0 mg/kg、20 mg/kg、100 mg/kg处理的土壤样品固氮功能基因(nif H)的多样性指数均高于试验中期(15 d)。在试验初期(0 d),阿特拉津浓度为0 mg/kg、20 mg/kg、100 mg/kg处理的土壤样品氨氧化功能基因(amo A)的多样性指数均高于试验中期(15 d),研究表示在不同浓度阿特拉津胁迫时间条件下固氮与氨氧化功能基因多样性受到了影响。在属分类水平物种聚类热图及OTU venn图中表明:本研究供试黑土中固氮微生物属包括短根瘤菌属、根瘤菌属、伯克氏菌属等46个主要属,而氨氧化微生物分布于亚硝化螺菌属、亚硝化弧菌属、亚硝化单胞菌属、亚硝化叶菌属4个属。在固氮功能基因(nif H)和氨氧化功能基因(amo A)属水平样本群落结构分布可知:固氮功能基因在培养中期(15 d)伯克氏菌属和根瘤菌属较培养前期(0 d)和后期(30 d)丰度更高,说明上述两类固氮功能微生物在此阶段占主导作用。在整个试验中(0-30 d),空白处理的固氮功能基因数量较20 mg/kg、200 mg/kg高。主成分分析结果进一步证实:不同培养天数、不同胁迫浓度阿特拉津对土壤nif H、amo A基因群落组成结构具有一定的影响。
【图文】：
图 1-1 微生物参与的氮循环过程示意图[27]Figure 1-1 Schematic diagram of microbial nitrogen cycle[27]固氮作用，指固氮微生物在固氮酶的作用下，将氮气还原为氨和其他含氮化合物的过。土壤中存在的微生物能将大气中的氮还原成 NH4+，植物可以直接吸收利用[27]。氨化作，有机氮生成氨氮的过程，有氧条件或无氧条件下，有机氮转化成氨氮被硝化菌所利用，转化过程是有机态氮向无机态氮。硝化作用，指包含氨氧化过程和亚硝化作用两个过程，一步：由氨氧化微生物将氨转化成亚硝态氮。第二步：由亚硝酸盐氧化菌氧化为硝酸盐。各种生态系统中存在，对于氮素循环具有重要意义[28]。反硝化作用分为两种：典型反硝、非典型反硝化。其中，，典型反硝化作用：厌氧反硝化微生物将硝酸盐全部还原成氮气过[29]；非典型反硝化作用：有氧条件下将微生物将亚硝态氮还原氧化氮[30-31]。.3.2 固氮作用中的微生物功能群和功能基因土壤微生物是其生态系统的重要组成部分，氮分子是合成蛋白质以及核酸分子不可缺少部分，缺少氮素也就没有生命[32-33]。研究发现，土壤中有自生固氮微生物，这类生物分于不同的微生物系统发育中。氮的固定，由微生物体内具有催化功能的固氮酶实现，所有固氮酶均都含用于编译铁蛋白的 nifH 基因[34-36]。
71.6.2 技术路线图1-1 技术路线Figure 1-1 Technical route1.7 课题来源本研究（论文）受国家杰出青年基金（41625002）资助。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S154.3;S482.4
【参考文献】
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本文编号：
2678711
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