生物土壤结皮中解磷微生物群落结构和多样性及其作用研究

发布时间：2020-07-26 07:00

【摘要】：荒漠化严重阻碍了全球经济和社会的可持续发展,由荒漠化引发的环境问题已成为全球十大环境问题之一。目前,荒漠化已影响到世界1/5的人口和全球1/3的陆地。在中国,内蒙古是受荒漠化影响较严重的省区之一。生物土壤结皮(Biological soil crusts,BSCs)是荒漠生态环境中的自然景观之一,在荒漠化遏制、植被恢复和荒漠生态系统稳定中扮演重要的角色。BSCs中缺乏磷,生物可利用磷(Bio-available phosphorus,BAP)的含量也较低。BAP的缺乏极大地限制了 BSCs 的形成和发育。解磷微生物(Phosphorus-solubilizing microorganism,PSM)在驱动磷的转化过程中起重要作用,可能对BSCs的形成和发育有重要影响和作用。目前,对解磷微生物的研究主要集中于根际土中,而缺乏BSCs中解磷微生物群落结构和多样性的研究,其对BSCs形成和发育的影响和作用也尚不清楚。本研究采集内蒙古荒漠不同类型BSCs,以高通量二代测序和微生物分离培养的方法对内蒙古荒漠BSCs中解磷微生物群落结构和多样性进行分析,阐述了影响解磷微生物群落结构和组成的环境因子,基于CoNet软件预测解植酸磷细菌群落中的核心物种,通过接种模拟实验验证PSM对BSCs形成和发育的影响和作用,从营养水平和微生物互作等角度初步探究了其可能的作用机制。本研究得到以下结果:1.内蒙古库布齐沙漠东部BSCs中解植酸磷细菌丰富度和多样性低。在二类BSCs中,苔藓结皮层解植酸磷细菌丰富度和多样忡最高,丰富度指数和多样性指数分别为1214.89和4.64:大部分解杭酸磷细菌为不可培养细菌(90%),其余主要为 Proteobacteria 和 Actinobacteria。在 Proteobacteria 中,多数为α-Proteobacteria,少量为 β-Proteobacteria 和 γ-Proteobacteria,包括Brevundimonas、.Microvirga、Pseudomonas、Novosphingobium、Streptomyces 和 Sphingomonas 等29个属。在藻结皮中,以Microvirga居多;在地衣结皮中,优势属为Brevundimonas而在苔藓结皮中,优势属为 Streptomyces。Brevundimonas、Microvirga、Streptomyces和Sphingomonas在三类BSCs层中的相对丰度均高于相应的下层土壤。在属水平,Novosphingobium、Singulisphaera、Streptomyces 和 Aeromicrobium 是植酸磷细菌群落中的核心物种。速效磷(Available phosphorus,AP)是影响解植酸磷细菌群落结构和组成的主要环境因子。2.分离得到230株解磷酸钙-磷细菌(Bacillus、Sphingomonas和Pseudomonas为优势菌)和25株解磷酸钙-磷真菌(Trihoderma为最优势菌)。细菌解磷酸钙-磷和植酸钙-磷能力分别为0.15～38.05 μg/mL和2.83～78.89 IU/mL,真菌解磷酸钙-磷和植酸钙-磷能力分别为0.43～7.31 μg/mL和89.00～96.32 IU/mL;真菌解磷酸钙-磷能力低于细菌,但其解植酸钙-磷能力远远高于细菌。Bacillus、Sphingomnas、Pseudomonas和Trichoderma同时具有解磷酸钙-磷和植酸钙-磷能力,这可能是这些物种成为BSCs中优势菌的原因之一。3.接种实验结果表明,230株细菌和25株真菌中分别有13株细菌和1株真菌对BSCs的形成和发育具有较明显的促进效果;而其中的5株菌,即编号为PD3、Bbqt10、NJT15-9、Bbqz14 和 TZ1-1(TZ1-1 为真菌,其余为细菌)的效果最突出,它们分别属于Bacillus、Sphingomonas和Trichodwals和复合添加磷矿粉(磷酸钙-磷)和植酸钙的进一步接种研究发现,分别接种这5株菌后,形成的 BSCs 厚度较 CK 提高了 12.11%～130.10%;土壤 OM、Ch1 a、AP 和 AN的含量较 CK 分别提高了 25.78%～218.34%、12.11%～89.22%、16.18%～61.67%和34.18%～365.86%:土壤磷酸酶和植酸酶活力分别较CK提高了 34.56%～81.86%和26.79%～31.40%。接种后的微生物群落结构发生明显变化,门水平上,Proteobacteria(57.59%～89.19%)、Ascomycota(70.94%～99.15%)和 Ochrophyta(0.03%～37.79%)的相对丰度增加;属水平上,Methylophilus(3.61%～20.37%)、Meyerozyma(0.08%～89.86%)、Ochromonas(0.03%～43.61%)和Filamoeba(0.18%～38.56%)的相对丰度也增加;接种引起细菌16S rRNA基因、固氮菌nifH基因和蓝藻16S rRNA基因拷贝数显著增加,表明接种解磷微生物可能促进了细菌、固氮菌和蓝藻的生长,从而促进BSCs的形成和发育。而细菌和真菌同时接种的结果表明,相比单接细菌或真菌,其促进效果更加明显。综上,内蒙古荒漠BSCs中解植酸磷细菌多样性偏低,多为不可培养细菌;而解磷酸钙-磷细菌多样性较高,且优势菌同时具有解磷酸钙-磷和解植酸钙-磷能力,其促进BSCs形成和发育的效果明显。本研究为认识和利用荒漠BSCs中解磷微生物提供了基础理论依据和实践材料。
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q938.1
【图文】：

图１－２生物土壤结皮的演替过程逡逑Ｆｉ．邋１－２邋Ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＢＳＣｓ逡逑

生物土壤结皮中解磷微生物群落结构和多样性及其作用研究

图１－３邋土壤中磷的形态［３５］逡逑？逦、逦［３５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ邋ｉｎ邋ｓｏｉｌ＇逡逑

生物土壤结皮中解磷微生物群落结构和多样性及其作用研究

图２－１邋ＢＳＣｓ样ｎ□采集地点逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＢＳＣｓ邋ｓａｍｐｌｉｎｇ邋ｓｉｔｅ逡逑注和十分R%表内蒙古准格尔旗薛家湾镇和布尔陶亥镇逡逑

【参考文献】