本文關(guān)鍵詞：生物炭碳源驅(qū)動(dòng)土壤微生物區(qū)系代謝作用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)》 2015年

生物炭碳源驅(qū)動(dòng)土壤微生物區(qū)系代謝作用研究

孫大荃  

【摘要】：一般認(rèn)為,生物炭在土壤中具有“固碳減排”的潛力,同時(shí)兼?zhèn)渑喾释寥馈⑿迯?fù)污染物等作用。生物炭與土壤微生物間發(fā)生相互作用,一方面土壤微生物的活動(dòng)影響生物炭的穩(wěn)定性,另一方面生物炭也對(duì)土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)乃至功能產(chǎn)生影響。在土壤系統(tǒng)中,生物及非生物因子共同調(diào)控土壤微生物區(qū)系。研究表明生物炭影響土壤微生物群系結(jié)構(gòu),然而相關(guān)的作用機(jī)理并不清楚。試驗(yàn)1中首先研究生物炭通過調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)(非生物因子)對(duì)土壤微生物群系的間接影響。通過物理手段將生物炭粒與土壤分離從而區(qū)別生物炭生境與周圍土壤。采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術(shù)分析生物炭粒、周圍土壤以及對(duì)照土壤中微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)。利用典型性對(duì)應(yīng)分析(CCA)比較非生物因子包括有效氮、有效磷、有效鉀、pH以及C/N對(duì)土壤微生物區(qū)系的貢獻(xiàn)程度。結(jié)果表明生物炭粒中可培養(yǎng)真菌菌落數(shù)高于周圍土壤及對(duì)照,但炭粒周圍土壤中存在較高細(xì)菌豐度。盡管取樣時(shí)間影響生物炭粒中細(xì)菌群系結(jié)構(gòu),但處理間(炭粒、周圍土壤以及對(duì)照土壤)差異更明顯。通過切膠測(cè)序并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,炭粒及周圍土壤中檢測(cè)到特異性條帶序列可歸入Bacillaceae、 Gemmatinomadetes、Phingomanas、Acidobacteria、Proteobacteria、Chloroflexaceae和 Actibacteria (相似度95%)和未知類(相似度85%)。典型性對(duì)應(yīng)分析表明,C/N、有效磷和有效鉀與真菌菌落數(shù)量顯著相關(guān),而C/N和有效磷主要與放線菌數(shù)量相關(guān)。總體而言,在短期內(nèi)生物炭促進(jìn)土壤中可培養(yǎng)微生物的繁殖,同時(shí)對(duì)細(xì)菌區(qū)系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。盡管一般認(rèn)為土壤微生物難以利用生物炭作為碳源,比如石墨烯組分,但是新制備生物炭表面附著的活性有機(jī)物質(zhì)可能作為養(yǎng)分物質(zhì)維持微生物繁殖乃至影響微生物群系結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)2主要研究新制備生物炭中活性有機(jī)碳組分對(duì)接種菌株以及土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的影響。將Bacillus mucilaginosus(植物益生菌)分別接種到3種農(nóng)業(yè)廢棄物制備的生物炭(蘑菇盤炭、玉米稈炭和水稻稈炭)中并測(cè)定繁殖情況,同時(shí)選擇泥炭作為對(duì)照。利用熱裂解-氣質(zhì)聯(lián)用(Py-GC-MS)分析培養(yǎng)前后生物炭中活性有機(jī)碳組分。另外在3中生物炭炭中培養(yǎng)土壤全菌液,以滅菌原始土壤為對(duì)照。采用變性梯度凝膠電泳技術(shù)分析土壤全菌液中細(xì)菌及真菌區(qū)系。利用典型性對(duì)應(yīng)分析(CCA)比較潛在理化因子包括pH、K、Na以及活性有機(jī)碳組分對(duì)土壤微生物區(qū)系的貢獻(xiàn)程度。結(jié)果表明在培養(yǎng)初期玉米稈生物炭中Bacillus mucilaginosus繁殖受到抑制,可能與活性有機(jī)碳中某些具有抑菌作用的酚類有關(guān)。在貨架期內(nèi),3種供試生物炭中接種菌種總體豐度水平與泥炭相當(dāng),表明生物炭作為植物益生菌載體的潛力。土壤全菌液接種到3中生物炭后,微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,主要表現(xiàn)在細(xì)菌及真菌群系多樣性方面。典型性對(duì)應(yīng)分析表明生物炭中的活性有機(jī)碳組分與土壤微生物群系結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。因此新制備生物炭中活性有機(jī)碳組分不僅維持接種菌的繁殖,同時(shí)也是影響土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的主要原因之一�？紤]微生物可以快速代謝新制備生物炭中活性有機(jī)碳組分,因此推測(cè)古老生物炭可能通過其他途徑影響土壤微生物區(qū)系。目前諸多研究圍繞新制備生物炭對(duì)土壤微生物群系結(jié)構(gòu)的作用開展,但有關(guān)生物炭在老化過程中的作用研究相對(duì)匱乏。除活性有機(jī)碳外,生物炭中含有其他形式碳組分,許多成分與廣義黑炭中的類似,因此研究老化生物炭對(duì)土壤微生物的影響可能對(duì)理解環(huán)境中黑炭的作用有所啟示。試驗(yàn)3主要研究經(jīng)過短期“激發(fā)效應(yīng)”后生物炭對(duì)土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)及功能的影響。利用454高通量測(cè)序研究老化生物炭粒、周圍土壤及對(duì)照土壤中微生物群系結(jié)構(gòu),并通過測(cè)定表征細(xì)菌及真菌的氨基糖物質(zhì)含量比較兩者在生物炭老化過程的作用。采用熱裂解-氣質(zhì)聯(lián)用分析生物炭粒中碳組分的年紀(jì)(17月、27月和34月)動(dòng)態(tài)。采用Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States Analysis (PICRUSt)分析整體細(xì)菌群系的功能。結(jié)果表明生物炭老化過程中,熱解有機(jī)碳組成成分存在年紀(jì)差異。在土壤中老化34月后,生物炭粒中的胞壁酸含量明顯高于周圍土壤及對(duì)照土壤,但氨基葡萄糖含量?jī)H略有提高,因此炭粒環(huán)境中胞壁酸與氨基葡萄糖比值明顯高于其他處理,這說明在生物炭老化過程中細(xì)菌活動(dòng)起主要作用。另外施入生物炭(炭粒以及周圍土壤)對(duì)細(xì)菌群系結(jié)構(gòu)的作用超過真菌群系結(jié)構(gòu)。通過PICRUSt分析細(xì)菌群系的功能發(fā)現(xiàn),炭粒環(huán)境中的細(xì)菌群系對(duì)外源異物質(zhì)的代謝能力比周圍土壤以及對(duì)照土壤高,推測(cè)與生物炭中類似外源異物質(zhì)的活性有機(jī)碳以及中度穩(wěn)定有機(jī)碳的分解有關(guān)。炭粒中細(xì)菌群系代謝碳水化合物的能力明顯低于其他處理,這可以解釋老化過程中炭粒中細(xì)菌活動(dòng)較高但仍保持較高水溶性有機(jī)碳水平�？紤]黑炭具有與生物炭類似的碳組成,因此推測(cè)黑炭在環(huán)境中也可能影響微生物代謝等功能。綜上,盡管生物炭可以通過調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)間接影響土壤微生物區(qū)系,但新制備生物炭中的活性有機(jī)碳是主要影響微生物繁殖及結(jié)構(gòu)的原因。另外,經(jīng)土壤微生物代謝作用生物炭中中度穩(wěn)定有機(jī)碳組分存在差異,表明生物炭的緩慢降解。伴隨生物炭的類外源異物質(zhì)可能驅(qū)動(dòng)細(xì)菌群系的代謝功能,比如提高外源異物質(zhì)的代謝能力,但降低代謝碳水化合物的能力。本研究從理論角度可能解釋生物炭保持土壤有機(jī)質(zhì)的原因。綜合考慮,生物炭可能在開發(fā)微生物肥料以及土壤修復(fù)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S154.3
【目錄】：

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3 梁桓;影響生物炭基氮肥氮素釋放因素的研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

4 蓋霞普;生物炭對(duì)土壤氮素固持轉(zhuǎn)化影響的模擬研究[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2015年

5 王麗麗;不同生物炭對(duì)鉛鋅礦尾礦重金屬污染土壤修復(fù)效果的研究[D];浙江大學(xué);2015年

6 于志紅;錳氧化物—生物炭復(fù)合材料對(duì)砷的生物有效性的影響[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2015年

7 張廣恪;豆禾混播與生物炭互作去除徑流污染物效果研究[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2015年

8 景明;生物炭對(duì)土壤中六價(jià)鉻和莠去津的吸附鎖定作用研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2015年

9 張宏;生物炭對(duì)滴灌春小麥產(chǎn)量及土壤肥力的影響[D];石河子大學(xué);2015年

10 王菁姣;生物炭對(duì)重金屬的吸附作用及腐殖酸的影響[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2015年

  本文關(guān)鍵詞：生物炭碳源驅(qū)動(dòng)土壤微生物區(qū)系代謝作用研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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