采煤沉陷区复垦对土壤细菌群落组装及固碳功能的影响——以东滩矿区为例

复垦能有效提升矿区生态服务功能,但复垦土壤功能重建的微生物学机制尚不清晰。厘清复垦如何影响土壤细菌群落特征、组装机制及固碳功能,对重塑矿区生态自维持能力至关重要。为此,结合零模型分析,采用MiSeq高通量测序及q PCR芯片技术,探索东滩矿区9 a、12 a、15 a和18 a等4个复垦年限土壤细菌群落组装过程及固碳功能变化。结果表明:(1)复垦和复垦时间对土壤理化和酶活性影响显著,复垦土壤pH、铵态氮(AN)、过氧化氢酶(CAT)及磷酸酶(PO)随复垦时间增长呈显著增加(P<0.05),有机碳(SOC)、有效磷(AP)、硝态氮(NN)及脲酶(UE)、β-葡萄糖苷酶(BG)、蛋白酶(PRO)则相反(P<0.05);(2)随机性过程主导了复垦土壤细菌群落的组装过程,且扩散限制的贡献最大;(3)有机碳、硝态氮、铵态氮、有效磷、β-葡萄糖苷酶及过氧化氢酶与碳循环功能基因丰度有显著性相关,复垦改善土壤理化从而增强固碳功能;(4)结构方程模型显示,复垦年限增加直接影响土壤理化性质,进而间接影响土壤微生物群落的组装过程,这可能是导致碳循环功能基因丰度变化的主要原因。研究结果为矿区复垦土壤生产力改善和固碳功能提升提供理论依据。

南海表层海水参与卡尔文循环的固碳基因多样性研究

为揭示南海北部表层海水中参与卡尔文循环的固碳基因多样性及其与环境因子的关系,本研究以卡尔文循环中的关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubis CO)的Ⅰ、Ⅱ型基因(cbbL、cbbM)作为分子标记,采用Illumina Miseq高通量测序技术对海水中的固碳基因多样性进行分析,并结合多元统计分析的方法,探讨了固碳基因多样性与环境因子的关系.结果显示,在南海北部表层海水中,含cbbL基因固碳基因主要归属于变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻门(Cyanobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes),其中,优势亚群分别是γ-变形菌亚门(45.3%)、蓝细菌(30.9%)和β-变形杆菌亚门(23.8%);而含cbbM基因的固碳菌群未检测到;近岸的A9站位与其他站位物种组成有一定的差异,异着色菌属(Allochromatium)、硫杆菌属(Thiobacillus)和硫单胞菌属(Thiohalomonas)为其特有菌属.相关性和冗余分析(RDA)结果显示,含cbbL基因的固碳基因丰度与水温、盐度呈显著负相关(p<0.01),与硝酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐呈显著正相关(p<0.01).

植被类型对露天矿复垦土壤微生物固碳潜力及路径的影响

半干旱露天采矿严重破坏生态环境,亟需厘清植被、土壤和微生物之间互作机制,从而挖掘微生物固碳潜力和路径,激发退化生态系统的恢复能力,实现基于自然的解决方案对受损矿山大规模生态修复具有重要意义。为此,采集内蒙古准格尔旗黑岱沟露天矿排土场油松(YS)、油松+杨树(DYS)和油松+杨树+苜蓿(DYX)3种典型复植类型共18个表土样品,利用高通量测序和实时荧光定量PCR技术测定土壤微生物固碳基因丰度和群落结构变化。结果表明:(1)植被类型对复垦土壤理化性质影响显著(P<0.05)。植被类型越复杂,土壤pH和含水率下降越显著,同时有机碳、全氮和硝态氮含量增加也越显著。(2)植被类型对复垦土壤细菌群落组成影响不显著,但对固碳基因丰度影响显著,即rbcL、korA、acsA、acsE、pccA、smt和frda基因丰度随植被种类增加显著上升(P<0.05)。(3)土壤含水率、有机碳、全氮和硝态氮是细菌群落结构变化的主导因子,不同植被组合改变环境因子进而调控固碳潜力及路径。该研究有助于理解多样化植被组合对矿区复垦土壤碳循环的影响,为黄土高原生态修复及固碳增汇提供理论依据。

转C4光合固碳相关基因水稻的研究进展

近10年来,转C4光合固碳相关基因水稻的研究取得了长足进展,已受到国内外科学界的广泛关注。本文简要介绍并评述了有关方面的研究进展,包括水稻的C4光合固碳基因工程、转C4固碳相关基因水稻光合和光氧化的生理特性及转C4光合固碳相关基因水稻的生理育种3个方面;提出以常规育种和生物技术相结合,开展转C4光合固碳相关基因水稻的生理育种,是培育优质、高产超级稻的有效途径。

东部平原矿区复垦对土壤微生物固碳潜力的影响

东部平原矿区复垦土壤受高潜水影响易返碱、肥力低,固碳菌群可有效提升土壤养分。但复垦如何调控微生物固碳能力及影响机制尚不清晰。为此,选取山东邹城东滩矿8,14,17 a复垦年限和对照样为研究对象,利用功能基因芯片和高通量测序技术探究6个固碳相关菌门和12种固碳基因的变化。结果表明:①复垦土壤pH值、溶解性有机碳、土壤β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性等均显著高于对照土壤(P<0.01)。复垦17 a后土壤有机碳、微生物量碳、多酚氧化酶活性显著高于对照样,复垦时间效应极显著(P<0.001);②12种固碳基因信号强度随复垦时长不断增大,复垦17 a后已高于或持平对照样,主要分布于酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria);③固碳菌群丰度与pH、溶解性有机碳、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶活性之间呈显著相关(P<0.05),多数固碳基因信号强度与pH、微生物量碳、溶解性有机碳及过氧化氢酶活性等环境因子之间也存在一定的相关性。长时间复垦活动影响富集和稀有固碳菌群组成及其功能基因丰度,可通过调控土壤pH、微生物量碳或多酚氧化酶酶活等相关环境因子,提升复垦土壤固碳增汇能力。

典型氢氧化细菌固碳特性种间差异及胞外有机物对固碳过程影响

化能自养细菌对全球CO_(2)固定具有重要的意义.研究了4种典型氢氧化细菌(HOB,分别是Alcaligenes hydrogenophilus DSM 2625、Pelomonas saccharophila DSM 654、Variovorax paradoxus DSM 30034和Acidovorax facilis DSM 649)的固碳特性及其种间差异性,并探究了胞外游离有机碳(EFOC)对不同种类HOB固碳效率差异性的影响.结果表明:(1)不同HOB自养培养过程中表观固碳量随时间呈显著差异性,其中,DSM 2625生长速度较快,其平均固碳量分别是DSM 654、DSM 649和DSM 30034的6.30、8.76和7.02倍.(2)不同HOB之间cbb L基因转录量与表观固碳量的相关系数为0.980(p<0.05),cbb L基因转录量是造成不同菌种之间表观固碳效率差异的关键因素.(3)HOB细胞蛋白质含量与cbb L基因丰度和转录量之间也存在显著正相关,相关系数分别为0.999(p<0.01)和0.976(p<0.05),即化能自养细菌CO_(2)同化途径所固定的有机碳进一步参与细胞蛋白质的合成,进而影响其生长速度和表观固碳效率.(4)HOB在自养培养过程中产生的EFOC对cbb L基因转录效率产生反馈抑制作用,且不同HOB之间,EFOC/TOC比例越低,表观固碳效率越高.

水位波动下火烧干扰对南荻土壤碳组分、微生物固碳能力的影响

火烧对湿地生态系统的影响是国内外火生态学和湿地生态系统研究中的一个热点,而水位波动下,火烧对鄱阳湖湿地南荻土壤碳组分及微生物固碳潜力的影响仍不是很清楚。因此,选择火烧后的南荻土壤为研究对象,分别从火烧后的第三天2015年1月18日(枯水期)、2015年4月12日(涨水期)和2015年11月10日(退水期)3个水位时期,各采集0~10 cm表层土壤,对比分析火烧和未火烧南荻土壤碳组分(微生物生物量碳、可溶性有机碳和易氧化活性有机碳)、微生物固碳潜力(土壤RubisCO酶活和固碳功能基因cbbL丰度)的差异,以期阐明水位波动下火烧干扰对土壤碳库及微生物固碳能力的影响。结果表明,枯水期火烧干扰土壤中易氧化活性有机碳含量(4.12±0.30 mg/g)显著低于未火烧的土壤(16.14±0.17 mg/g)(p<0.05),土壤微生物生物量碳含量(2359±535 mg/kg)和cbbL基因拷贝数(1.68±0.17×10^(5)copies/g)显著高于未火烧的土壤(1095±110 mg/kg和4.61±3.12×10^(4)copies/g)(p<0.05),而土壤中的可溶性有机碳和土壤RubisCO酶活没有显著差异(p>0.05)。在随后的涨水期和退水期,火烧和未火烧对土壤碳组分、cbbL基因拷贝数、RubisCO酶活影响无显著差异。另外,从3个水位时期来分析,火烧后水位时期对土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳含量影响显著(p<0.05),且表现为枯水期>涨水期>平水期。相关性分析结果表明,土壤温度和土壤碳组分显著负相关,cbbL基因丰度和碳组分含量为负相关关系,土壤碳组分(易氧化活性有机碳、可溶性有机碳)和土壤呼吸和羧化酶活性的关系表现为正相关。说明土壤温度升高,不利于土壤有机碳的积累;另外,土壤羧化酶活性的提高,有助于微生物同化CO_(2),从而提高土壤有机碳组分含量。