【摘要】：稻田是農(nóng)業(yè)發(fā)展的特色土地利用類型,在我國糧食安全和農(nóng)田土壤碳庫保持中占有重要地位；稻田固碳和溫室氣體減排在應(yīng)對氣候變化的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義。上世紀(jì)中后期以來,中國稻田土壤重金屬污染日益嚴(yán)重,特別是在珠江、湘江和長江中下游地區(qū)。稻田土壤重金屬污染除引發(fā)日益嚴(yán)峻的稻米食物安全風(fēng)險外,同時可能影響土壤的生物化學(xué)過程,從而可能影響稻田碳氮循環(huán)及溫室氣體產(chǎn)生和排放。因此,探討重金屬污染稻田土壤微生物區(qū)系和活性變化,特別是與稻田土壤碳氮循環(huán)及溫室氣體產(chǎn)生相關(guān)的功能微生物類群的群落結(jié)構(gòu)多樣性、豐度及活性的變化將有助于認(rèn)識重金屬污染的固碳減排效應(yīng),為保持和提高稻田土壤碳匯提供科學(xué)依據(jù)。 為此,本研究選擇江蘇宜興、江西德興和大余以及廣東大寶山等4個污染地區(qū)的稻田土壤,采集重金屬污染和未明顯污染的稻田土壤表土,進行土壤微生物區(qū)系和群落結(jié)構(gòu)及其活性的多地、多方法比較研究。測定分析了土壤重金屬含量及重金屬污染程度、土壤基本性質(zhì)、土壤微生物生物量碳氮等；用稀釋平板計數(shù)法研究了可培養(yǎng)細(xì)菌與可培養(yǎng)真菌的數(shù)目；用磷脂脂肪酸分析法(PLFA)分析了土壤的活性微生物區(qū)系;用定量PCR (qPCR)和變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術(shù)分析了細(xì)菌、真菌、產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化細(xì)菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)以及反硝化細(xì)菌的基因豐度和群落結(jié)構(gòu)多樣性,并挑選重要DGGE條帶進行克隆測序及系統(tǒng)發(fā)育分析。為了探索微生物區(qū)系變化與土壤碳氮代謝過程變化的可能關(guān)系,通過實驗室培養(yǎng)分析測定了土壤蔗糖酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶及多酚氧化酶等酶活性,進一步采用化學(xué)法分析了土壤基礎(chǔ)呼吸、底物誘導(dǎo)呼吸、產(chǎn)甲烷活性、甲烷氧化活性、硝化活性以及反硝化活性。試圖從多方面探討重金屬污染稻田土壤中微生物類群的群落結(jié)構(gòu)多樣性、豐度以及活性的變化及其與溫室氣體產(chǎn)生的可能關(guān)系,主要研究結(jié)果如下： 一重金屬污染下土壤微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)、酶活性及呼吸活性的變化 1.微生物生物量碳氮在重金屬污染稻田土壤中均較其參照有所降低,且微生物商顯著降低。真菌的可培養(yǎng)數(shù)目、PLFA含量及基因拷貝數(shù)在重金屬污染土壤中均有不同程度的降低；然而,細(xì)菌在各個重金屬污染土壤中沒有如此一致性的變化。此外,真菌與細(xì)菌的PLFA含量之比在所有污染土壤中均較其參照顯著降低,其幅度從6%到50%。因而,與細(xì)菌相比,真菌可能對稻田土壤重金屬污染更為敏感,其相對優(yōu)勢度會下降。并且,重金屬污染下微生物商降低程度與真菌/細(xì)菌PLFA含量之比的降低程度顯著相關(guān)。另外,基于基礎(chǔ)呼吸的代謝商在污染下顯著升高,其幅度從7%到70%。代謝商的升高程度與微生物商的降低程度顯著相關(guān)；與真菌/細(xì)菌PLFA含量之比的降低程度在p=0.10水平上相關(guān),說明可能由于土壤真菌相對優(yōu)勢度下降而引發(fā)微生物碳源利用效率降低,致使微生物商降低,造成重金屬污染下代謝商增高。 2.脂肪酸18：4ω3c存在于所有重金屬污染土壤中,卻只在大余參照土壤中被檢測到；而18：1ω5c的含量在宜興污染土壤中較其參照降低,在其它污染土壤中不能被檢測到；脂肪酸18：1ω9t(真菌代表性脂肪酸之一)的含量在所有污染土壤中均較其對照而降低。環(huán)境脅迫指標(biāo)：G+菌/G-菌之比以及飽和脂肪酸單不飽和脂肪酸之比在污染土壤中較其參照土壤顯著提高。PLFA組分的主成分分析,以及細(xì)菌和真菌DGGE圖譜的主成分分析均表明,微生物群落結(jié)構(gòu)在重金屬污染土壤中有一定程度改變。 3.不同重金屬污染土壤中蔗糖酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶及多酚氧化酶的酶活性變化并不一致：與參照土壤相比,在宜興和大寶山的污染土壤中四種酶的酶活性均沒有顯著改變；在大余污染土壤中蔗糖酶和淀粉酶的酶活性顯著降低,而多酚氧化酶活性反而提高,β-葡萄糖苷酶活性未明顯變化；在德興污染土壤中β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶的酶活性顯著降低,另兩種酶的酶活性沒有顯著變化。 4.氨基葡萄糖、纖維二糖或?qū)αu基苯甲酸三種底物分別誘導(dǎo)的呼吸速率達(dá)到最大之前的滯留時間,在重金屬污染土壤中均延長,說明重金屬污染下微生物代謝多樣性降低。在纖維二糖礦化高峰時,重金屬污染下總的、細(xì)菌的、真菌的PLFA含量以及真菌/細(xì)菌之比顯著低于參照；微生物群落結(jié)構(gòu)與參照之間的差異程度低于本底土壤,活性細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)仍有所改變,而真菌群落結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。 二重金屬污染下與甲烷產(chǎn)生和氧化相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度及活性的變化 1.產(chǎn)甲烷菌-mcrA和甲烷氧化菌-pmoA基因DGGE圖譜的主成分分析表明,產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)在重金屬污染土壤中均較其參照在PC1或PC2上顯著變化。 從系統(tǒng)發(fā)育分析來看,宜興、德興和大寶山污染土壤中分離的產(chǎn)甲烷菌分別屬于產(chǎn)甲烷桿菌(Methanobacteriacea)、氫型產(chǎn)甲烷菌Methanocellales (Rice cluster)和甲烷螺菌科(Methanospirillaceae)等不同類群。分離自德興污染及參照土壤的甲烷氧化菌菌株均屬于Ⅰ型甲烷氧化菌,但其分布在兩個不同分支上,說明二者親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。大余污染土壤的兩株氧化菌分別屬于Ⅰ型和Ⅱ型甲烷氧化菌,與其污染土壤的兩個菌株相比,這四株菌的親緣關(guān)系均較遠(yuǎn)。此結(jié)果在一定程度上說明德興和大余重金屬污染土壤的甲烷氧化菌在系統(tǒng)發(fā)育上均較其參照有所改變。 2.與參照土壤相比,產(chǎn)甲烷菌豐度只在重金屬污染程度最高的大余土壤中被顯著抑制,在其它樣點沒有顯著變化；而其多樣性在大余污染土壤中顯著降低,在大寶山無變化,在另兩樣點顯著提高。然而,除德興樣點外,甲烷氧化菌豐度在重金屬污染土壤中較其參照顯著降低,其幅度從16%到74%；而其多樣性在宜興和德興污染土壤中顯著降低,在大余無顯著變化,在污染程度最輕的大寶山顯著升高。 3.產(chǎn)甲烷活性只在大余污染土壤中較其參照顯著降低,在其它樣點沒有顯著改變。甲烷氧化活性較產(chǎn)甲烷活性可能對重金屬污染更為敏感,除德興樣點外,其在污染土壤中均較其參照而顯著下降,其幅度從37%到56%。 三重金屬污染稻田土壤與N2O產(chǎn)生相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度及活性的變化 (一)氨氧化細(xì)菌(AOB)與古菌(AOA)群落結(jié)構(gòu)、豐度及硝化活性 1. AOB-amoA和AOA-amoA基因DGGE圖譜的主成分分析表明,AOB群落結(jié)構(gòu)僅在宜興和大寶山污染土壤中較其參照有所改變；而AOA群落結(jié)構(gòu)在所有污染土壤中均較其參照在PC1或PC2上顯著改變。 從系統(tǒng)發(fā)育分析來看,所分離AOB菌株分布在亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)的多個分支上,而分離自宜興和大寶山參照土壤的AOB菌株,分別歸屬于類群3a.1和類群4,其在相應(yīng)污染土壤中幾乎不能被檢測到,說明類群3a.1與類群4中某些AOB菌株可能對重金屬污染較為敏感。分離自宜興和大余污染土壤的兩個AOA菌株歸屬于泉古菌門的soil/sediment類群,其它三株菌分類地位尚不明確；而來自于大余參照土壤的AOA菌株歸于water column類群。 2.AOB豐度在德興和大寶山重金屬污染土壤中顯著降低,在另兩樣點無顯著變化；而其多樣性在德興污染土壤中沒有顯著變化,在大寶山顯著降低,在另兩樣點卻顯著升高。AOA豐度及其多樣性在宜興污染土壤中較其參照未顯著改變；在德興污染土壤中均下降；大余污染土壤中其豐度升高但多樣性降低；大寶山污染土壤中其豐度無顯著變化,而多樣性升高。 3.硝化活性在德興和大寶山重金屬污染稻田土壤中較其參照顯著降低,其幅度達(dá)60%以上,在其它兩樣點無顯著變化。 (二)反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、豐度及反硝化活性 1.反硝化細(xì)菌-nirK及-nosZ基因DGGE圖譜的主成分分析表明,其群落結(jié)構(gòu)在重金屬污染土壤中均較其參照在PC1或PC2上顯著變化,僅大寶山污染土壤中nirK群落結(jié)構(gòu)較其參照未明顯改變。 從系統(tǒng)發(fā)育分析看,所分離nirK克隆不屬于α-或β-變形菌；而絕大多數(shù)nosZ克隆歸屬于α-變形菌,但兩者均與已知可培養(yǎng)菌株親緣關(guān)系較遠(yuǎn)�？傮w分析所有污染土壤或參照土壤的nirK或nosZ克隆,其均分布在細(xì)菌的多個不同類群中；但單個研究樣點內(nèi),分離自污染及參照土壤的nirK或nosZ克隆在系統(tǒng)發(fā)育上有一定程度的不同。 2.與參照土壤相比,nirK和nosZ的豐度在宜興和大余污染土壤中均顯著降低,在另外兩樣點均未顯著改變；nirK的多樣性在大余污染土壤中顯著降低,在其它樣點無顯著變化；nosZ多樣性在德興和大寶山污染土壤中顯著升高,在另外兩樣點無顯著改變。 3.在重金屬污染程度最輕的大寶山樣點,反硝化活性沒有顯著變化。而在其它三個樣點的污染土壤中,反硝化活性較其參照顯著降低；且N20的產(chǎn)生速率也均有所下降。但是N20的還原速率只在德興污染土壤中顯著被抑制,說明在污染較為嚴(yán)重的稻田土壤中,反硝化過程中N20的產(chǎn)生活性比其還原活性受到的抑制程度可能更大。 綜上所述,重金屬污染稻田土壤中,真菌較細(xì)菌相對優(yōu)勢度降低,微生物商降低,而代謝商顯著增高,重金屬污染下的這些共性變化可能會影響對稻田土壤中與碳素周轉(zhuǎn)相關(guān)的生物化學(xué)過程及CO2排放。相比產(chǎn)甲烷菌豐度及產(chǎn)甲烷活性,甲烷氧化菌豐度與甲烷氧化活性在重金屬污染稻田土壤中所受抑制程度更大,因而可能通過抑制CH4的氧化而加劇了重金屬污染稻田的CH4排放,此仍需更多的田間實驗驗證。而與N20產(chǎn)生相關(guān)的氨氧化細(xì)菌或古菌與硝化活性、反硝化細(xì)菌與反硝化活性在重金屬污染下的變化因不同土壤或不同金屬污染而有較大差異。 重金屬污染稻田土壤中各種微生物活性之變化與其相應(yīng)功能微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性變化之間的格局較為復(fù)雜。然而,重金屬污染下,代謝商增高程度與真菌/細(xì)菌PLFA含量之比降低程度在p=0.10水平上相關(guān)；產(chǎn)甲烷活性與產(chǎn)甲烷菌豐度、甲烷氧化活性與甲烷氧化菌豐度以及硝化活性與AOB豐度或同時顯著降低,或同時無顯著變化,說明土壤微生物多樣性所維系的一定范圍內(nèi),微生物活性高低與其豐度變化之間聯(lián)系可能更為緊密。不過,本研究未得到微生物活性變化與其豐度變化之間的顯著相關(guān)關(guān)系,這提示仍需從微生物本體之外的其它角度探討重金屬污染下溫室氣體排放發(fā)生變化的原因。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X172

【參考文獻】

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本文編號：2696908