农业土壤中氮素转化关键微生物群落及功能

发布时间：2020-07-29 20:50

【摘要】：氮循环与农业生产和生态环境息息相关,人类通过对农业土壤施入氮肥来增加作物产量,但与此同时,氮肥的流失又破坏了氮原有的平衡,进而导致全球的环境问题。大量研究表明自然界的氮循环主要是由微生物介导的。固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程称为固氮作用,固氮微生物广泛存在于自然界,可以分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物。硝化反应直接利用铵态氮(NH_4~+)作为底物,是氮循环的中心环节,是细菌和古菌共同参与的生物过程,由两类共生微生物(氨氧化微生物和亚硝酸盐氧化微生物)介导。水稻和玉米是重要的粮食作物,也是具有独特性质的农田生态系统。根际在农田生态系统中扮演着重要的角色,是土壤介质、植物和微生物交互作用的微界面,也是物质和能量交换的区域,更是土壤微生物最活跃的地带。玉米根际环境有利于联合固氮菌的生长,固氮菌Pseudomonas stutzeri A1501最初分离自水稻根际,属于植物根际促生细菌(PGPR),但是在玉米根际的定殖及固氮能力还未知。因此我们首次在温室条件下将该固氮菌接种到玉米根际,结合水培条件和扫描电子显微镜观察其在根部的定殖效率,并利用15N同位素稀释方法定量玉米体内通过生物固氮途径来源氮的百分含量。另一方面,尽管PGPR接种对植物具有促生效应,但是接种对土壤及根际微生物群落影响的研究报道甚少,其中的微生物机理也存在疑问。水分是玉米生长的限制性因子,干旱条件下玉米根际微生物群落及活性的响应也是研究的热点。因此我们通过玉米盆栽的方式考察不同水分管理措施下接种固氮菌P. stutzeri A1501对玉米根际微生物群落及活性的影响。水稻土不同的物理化学特性使一系列氧化还原过程在根际反复循环发生。早期的研究大多集中于对水稻土中硝化微生物(主要是氨氧化微生物)的群落多样性,以及环境因子对硝化活性的影响等问题上,未从微生物的生理生态尤其是数量及活性变化的水平上来阐述。本文以我国典型的水稻土作为研究材料,通过培养实验研究氧气浓度对水稻土根际硝化作用及相关微生物群落和活性的影响,为深入了解氮循环关键微生物的作用机理和提高氮肥利用效率提供理论依据。主要研究结果如下：首先,通过扫描电镜观察结合平板计数,发现其能在玉米根际定殖；利用15N同位素稀释技术测定干旱和水分充足条件下接种固氮菌P. stutzeri A1501对玉米生物固氮的贡献率分别为20.1%和31.6%,对应的固氮量分别为0.28和0.81克氮每株玉米。相当于减少农田实际施肥量分别是14%(干旱条件下)和40%(正常水分条件下),具有潜在的部分替代化肥的作用。第二,通过考察不同水分条件下和固氮菌P. stutzeri A1501接种对玉米根际微生物氮循环关键功能微生物群落结构、种群数量和转录活性的影响,结果表明不同玉米土壤区域的细菌和古菌数量均表现不同,固氮菌更多地存在于根际土中,而氨氧化细菌和氨氧化古菌在表层土中数量更高；同时不同玉米土壤区域的固氮菌转录活性、氨氧化细菌和古菌的转录活性均表现不同,且氨氧化古菌和氨氧化细菌的转录活性要大于固氮菌转录活性；不同玉米土壤区域的细菌和固氮菌群落多样性也表现出差异,表明不同土壤区域(生态位)是影响土壤微生物及氮循环关键功能微生物最主要的因素。水分管理措施显著影响了玉米的生长,水分充足时玉米生长量更高,但是不同水分处理未影响土壤和根际的微生物群落结构；然而水分管理措施影响了根际土中细菌和古菌的数量,同时对固氮菌、氨氧化细菌和古菌的转录拷贝数都有显著影响。固氮菌P. stutzeri A1501接种影响了根际土中固氮菌的转录拷贝量,同时对根际土中细菌及固氮菌群落结构也有显著影响；但是固氮菌P. stutzeri A1501接种对细菌和古菌群体数量的影响不显著。最后,利用水稻土壤和根系样品进行培养实验,设立不同氧气浓度,结果表明低氧气浓度显著降低了土壤的硝化反应速率。在土壤中,高浓度氧气浓度下氨氧化细菌的数量和转录活性都显著高于低氧气浓度,表现为其数量的上升和转录活性的增加,而氨氧化古菌可能在低氧气浓度下仍然表现出活性。氧气浓度同样影响了Nitrospira属和Nitrobacter属亚硝酸盐氧化细菌的数量,以及Nitrobacter属亚硝酸盐氧化细菌的转录活性。相关性分析表明氧气充足时,培养过程中硝化速率的变化和氨氧化细菌及Nitrobacter属亚硝酸盐氧化细菌转录活性的变化有很高的相关性,而在低氧气浓度下,相关性变得不显著。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士后
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S154.3
【图文】：

３．３．３固氮菌在玉米根际的定殖效率逡逑通过接种固氮菌和对照的比对发现经过平板检测在±巧介质中接种固氮菌ｆ邋ＷＷｚｅＷ邋Ａ１５０１逡逑盈著提商了该菌在第６０天时玉米根脉的数量（图３．２）。在营养液介质中的结果也表明在第１０天逡逑和２０天时接种处理的玉米根际上的ｆ邋Ｓ化亿的Ａ１５０１数量都要显著高于对照（图３．３Ａ和１３Ｂ）。逡逑电镜结果可见微生物定殖在玉米根部表面的数量要明晶多于对照。疑似Ｓ化ｆｃｅＷ邋Ａ１５０１的菌株逡逑呈杆状，长约２邋ｎｍ．菌体表面呈凹田不平状，在根系多处发现类似生物膜包被的菌体聚合（图逡逑３．３Ｃ）。逡逑１９逡逑

逦０２逡逑ｉ邋仁逦ｔｅｉｎ逡逑图３．３玉米水墙条件下接种固氮菌尸．ＷＷｗ／７’Ａ１５０１后通过平板计数法估算玉米根际微生物的数量。逡逑Ｆｉｇ邋３．３邋Ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｆｉｘｉｎｇ邋ｂａｃｔｅｒｉｕｍ邋Ｐ．邋ｓｔｕｔｚｅｒｉ邋Ａ１５０１邋ａｄｈｅｒｅ邋ｔｏ邋ｒｏｏｔ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ邋Ｈｏａｇｌａｎｄ＇ｓ邋ｎｕｔｒｉｅｎｔ逡逑ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｃｕｌｔｕｒｅ邋ｍｅｄｉｕｍ．逡逑Ａ．邋Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ａｘｅｎｉｃ邋ｍａｉｚｅ邋ｐｌａｎｔｓ邋ｕｓｅｄ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｂａｃｔｅｒｉａｌ邋ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ．邋ＮＳＣＭ－ｃｏｎｔｒｏＩ，邋ｎｏ逡逑Ａ１５０Ｈｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ邋ｎｕｔｒｉｅｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｃｕｌｔｕｒｅ邋ｍｅｄｉｕｍ；ＮＳＣＭ＋Ａ１５０１，ｗ他邋Ａ１５０１邋ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ逡逑ｎｕｔｒｉｅｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｃｕｌｔｕｒｅ邋ｍｅｄｉｕｍ．逡逑２１逡逑

逦ＷＷ逡逑Ｄａｙ邋６０逡逑图３．２邋±壤介质中接种固氮菌尸．加妃ｅ／７’ＡＩ５０ｌ后通过平扳计数法估算玉米根际微生物的数量。逡逑Ｆｉｇ邋３．２邋Ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎｉ任ｏｇｅｎ－ｆｉｘｉｎｇ邋ｂａｃ化ｒｉｕｍ邋尸？邋５化垃ｅ／＊＇．邋Ａ１５０Ｉ邋ａｄｈｅｒｅ邋化邋ｒｏｏｔ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ邋ｓｏＨ邋ｍａｔｒｉｘ．邋Ｔｈｅ逡逑ａｍｏｕｎｔ邋ｏｆ邋ｂａｃｔｅｒｉａ邋ｉｎ邋ｒｏｏｔ邋ｓａｍｐｌｅｓ邋ｗａｓ邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ邋ｂｙ邋ｐｌａｔｉｎｇ邋ｃｏｕｎｔｉｎｇ邋ｍｅｔｈｏｄ．邋Ｔｈｅ邋ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｗａｓ邋ｃａｒｒｉｅｄ邋ｏｕｔ逡逑ｗｉ化邋Ｓ化ｄｅｎｔ’ｓ邋（＊＊Ｐ＜０．０１）．邋Ａｌｌ邋ｖａｌｕｅｓ邋ａｒｅ邋ｍｅａｎ邋±邋ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ邋（ｎ二３）．邋Ｃｏｎｔｒｏｌ，邋ｗｉｔｈｏｕｔ邋ＡＩ５０Ｈｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ；逡逑＋Ａ１５０１．邋ｗｉｔｈ邋Ａ１５０１邋ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ．逡逑Ｍｌ］逦Ｋ逡逑ｌｙ逦ＷｍＭＷＷＭ逡逑化邋ＣＭ＞ｃｏｎｔｒｏｌ逦ＮＳＣ邋…Ａ１５０１逡逑Ｂ邋ｓ＂

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 马春;阳广凤;金仁村;俞津津;;新型生物脱氮工艺-反硝化氨氧化[J];科技通报;2012年03期

2 李晓芸,郑穹,喻鹏,黄驰;2-氟-6-氯甲苯氨氧化法制备2-氟-6-氯苯腈初探[J];武汉大学学报(理学版);2003年02期

3 谢光勇,郑穹,黄驰,韩其勇,陈远荫;对甲氧基甲苯氨氧化反应研究[J];武汉大学学报(理学版);2001年06期

4 郑穹,谢光勇,黄驰,许崇文,陈远荫;氨氧化合成大茴香腈研究[J];厦门大学学报(自然科学版);1999年S1期

5 崔文采;谈谈自然土壤和农业土壤[J];土壤通报;1959年02期

6 蔡立梅;马瑾;周永章;黄兰椿;窦磊;张澄博;;珠江三角洲典型区农业土壤镍的空间结构及分布特征[J];中山大学学报(自然科学版);2008年04期

7 韩风;;自然土壤与农业土壤[J];农业科学实验;1982年11期

8 孟宪玺,佘中盛,刘桂琴,康淑莲,俞穆清,汪淑哲,王起超,齐少华;东北地区中部主要农业土壤中若干金属元素的背景值[J];生态学报;1985年02期

9 张冬冬;;全球变暖少不了你家院子[J];科学新闻;2013年05期

10 王凯荣;崔明明;史衍玺;;农业土壤中邻苯二甲酸酯污染研究进展[J];应用生态学报;2013年09期

相关会议论文 前8条

1 沙圣德;乔琳;王利英;夏勉;;一株异氧硝化细菌KT-B011的分离及其氨氧化特性的研究[A];第十次全国环境微生物学术研讨会论文摘要集[C];2007年

2 杨斌;姜家乐;黄新汉;宋卫林;;催化剂粒径对丙烯氨氧化反应的影响[A];中国化工学会2003年石油化工学术年会论文集[C];2003年

3 马名扬;张朝阳;毕鸿亮;李幼菊;卢普相;;珠三角部分地区农业土壤中砷的形态及含量分布[A];广东省土壤学会第九次会员代表大会暨学术交流年会论文集[C];2006年

4 邓芸芸;贾丽娟;李康;殷浩文;;上海市垃圾焚烧厂周边农业土壤中二VA英分布研究[A];中国毒理学会环境与生态毒理学专业委员会第二届学术研讨会暨中国环境科学学会环境标准与基准专业委员会2011年学术研讨会会议论文集[C];2011年

5 杨国义;张天彬;郭治兴;万洪富;罗薇;高原雪;;珠江三角洲典型区域农业土壤中多环芳烃的含量分布特征及其污染来源[A];广东省土壤学会第九次会员代表大会暨学术交流年会论文集[C];2006年

6 冯焕银;傅晓钦;张倩;樊颖果;;宁波市郊农业土壤中持久性毒害污染物的残留现状及健康风险评估[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集（第四卷）[C];2013年

7 杨国义;张天彬;万洪富;罗薇;高原雪;;广东省典型区域农业土壤中重金属污染空间差异及原因分析[A];广东省土壤学会第九次会员代表大会暨学术交流年会论文集[C];2006年

8 徐梦侠;李申杰;杨炳建;钱飞中;高占国;朱丽波;应红梅;徐能斌;翁燕波;;宁波市农业土壤中持久性有机氯农药残留规律研究[A];持久性有机污染物论坛2010暨第五届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集[C];2010年

相关重要报纸文章 前4条

1 记者 孙宇浩 段金平;大兴农业地质调查启动[N];中国矿业报;2006年

2 钟燕平;尽快开展农业土壤污染研究[N];农民日报;2006年

3 ;治理农业土壤面源污染刻不容缓[N];河北日报;2013年

4 本报记者 赵红梅;农业土壤面源污染治理刻不容缓[N];河北日报;2013年

相关博士学位论文 前2条

1 柯秀彬;农业土壤中氮素转化关键微生物群落及功能[D];中国农业科学院;2016年

2 王丽华;酸性矿山废水区域嗜酸菌分子生态学研究[D];中国地质大学(北京);2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 邱金锋;竹浆碱回收苛化工艺与白泥粒度、苛化率的相关性研究[D];陕西科技大学;2015年

2 徐伟;以天然硅藻土为原料的高纯二氧化硅制备以及纯度表征[D];太原理工大学;2016年

3 周涛;一种氨氧化反应余热回收炉工艺及设备结构研究[D];天华化工机械及自动化研究设计院有限公司;2016年

4 赵红;无机钛硅原料TS-1催化环已酮氨氧化制备环已酮肟[D];湘潭大学;2002年

5 吴梦佳;干胶转化法合成TS-1分子筛及对丁酮氨氧化反应的催化性能[D];华东理工大学;2014年

6 郝迪;贵屿农业土壤及盆栽土-植物系统中PBDEs污染特征及暴露风险评估[D];暨南大学;2015年

7 邓琳静;重金属胁迫下农业土壤根际微生物的群落结构和多样性的变化[D];湖南大学;2016年

8 吉玉碧;贵州省农业土壤中镉的污染现状与分析研究[D];贵州大学;2006年

9 梁静;钛硅分子筛催化环己烷液相氨氧化的研究[D];湖南师范大学;2011年

10 许华杰;遵义县农业土壤和蔬菜中镉含量关系的分析与研究[D];贵州大学;2008年

本文编号：2774477