^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

13CO2示踪不同化学形态氮素添加对高寒草甸植物光合碳分配的影响

外源氮素(N)输入陆地生态系统后会引起植物和土壤各碳库的变化,但是对不同化学形态氮素的长期输入如何影响光合碳在植物组织、土壤、土壤呼吸中的分配及转运知之甚少,尤其是对于氮输入引起光合碳分配变化进而作用于植物和土壤碳库的机制的认识还非常匮乏。基于在青藏高原矮嵩草草甸开展的不同化学形态氮素添加的长期实验,利用13C示踪方法揭示了光合碳在植物地上、地下组织的分配,及其随时间在土壤中的滞留和随土壤呼吸的释放。研究结果表明,外源氮素添加10年后,与对照未添加氮素处理相比,氨态氮处理下的地上生物量增加了49.5%,氨态氮处理下的地下生物量增加了111.3%。土壤中滞留的13C整体呈下降趋势,氨态氮处理下的土壤碳库显著高于硝态氮处理下的值。不同处理下的土壤呼吸中13C的滞留量随时间呈指数衰减的变化趋势,其中,硝态氮处理下的13C衰减最快。13C同位素标记后第1天测定植物茎和叶内的13C约占刚刚标定完茎和叶内13C的80%,不同处理之间没有显著性差异。直至标记后的第30天,茎和叶内13C的滞留量约占初始量的30%。硝态氮处理下的值在第21天和第30天显著低于对照和氨态氮处理下的值,表明硝态氮处理下,植物光合固定的碳在短期内迅速输入地下组织和土壤中。这些结果从机理上阐明了植物光合碳分配对不同化学形态氮素长期输入的响应,进而影响到土壤呼吸CO2的释放,以及对土壤碳库动态的贡献。加深了对高寒草甸土壤有机碳库稳定性维持机制的认识,能够为高寒草地的科学管理以及资源的可持续利用提供理论指导。

^(13)C辅助的超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用方法精确分析毕赤酵母胞内代谢物浓度

毕赤酵母作为一种高效的外源蛋白表达平台,其蛋白表达水平与胞内代谢物浓度紧密相关。但胞内代谢物种类多、物化性质差异大、浓度低、周转快,对其绝对浓度的精确检测一直难于实现。本研究将超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用分析方法与13C同位素标记技术相结合,探索解决该难题的方法。首先,优化了超高效液相色谱的操作条件,利用3种色谱柱实现了64种常见中间代谢物的分离;对三重四极杆质谱仪的检测离子对和碰撞电压等操作条件进行优化,找到了对各种物质具有专一性的检测离子对。然后,利用全标记13C标记底物培养细胞,收集胞内的全标记代谢物用作定量内标物,建立了53种中间代谢物的标准曲线。实验结果表明,本方法不但精确性高,标准曲线相关系数达到0.99以上,而且重现性好,受实验条件和仪器操作条件的影响很小。将本方法应用于毕赤酵母胞内代谢物浓度的绝对定量分析,成功获得了胞内各种代谢物的浓度水平,为后续深入研究毕赤酵母代谢调控机理,实现外源蛋白的高效生产奠定了基础。

稳定同位素^13C标记富勒醇结构的探索

富勒醇是具有良好生物相容性的富勒烯衍生物,因其具有低毒、抗肿瘤活性、抗病毒活性、抗氧化活性及光敏性等优势被广泛研究,发现其碳笼表面修饰的含氧基团决定其在生物医学应用中的生物效应.然而,富勒醇的结构比较复杂,尚未能精确描述.本文以稳定同位素^(13)C标记技术,通过富勒烯(C60)胺碱催化-氧化合成^(13)C骨架标记的富勒醇,结合质谱、红外光谱、X光电子能谱(XPS)及^(13)C核磁共振谱(^(13)C NMR)对其测试表征,探索富勒醇的精确结构.结果发现,稳定同位素^(13)C碳笼骨架标记极大地提高了^(13)C NMR信号强度,富勒醇分子结构的^(13)C NMR谱中清晰呈现出乙烯基醚碳、未反应烯碳、羟基化碳的信号,即不仅存在未氧化的碳和单氧化的碳,还存在高氧化的碳,与XPS测试结果吻合.富勒醇的碳笼表面修饰基团以羟基、半缩醛/酮、环氧以及羰基等结构存在.富勒醇复杂表面基团修饰结构的确定对其未来广泛的生物医学应用具有重要意义.

13C脉冲标记揭示放牧对高寒草甸同化碳分配的影响

放牧是人类对草地进行利用的重要方式之一,放牧影响草地生态系统的结构和功能,改变植物光合碳(C)分配,进而改变土壤有机碳的储存。青藏高原的高寒草甸是世界上海拔最高的草地生态系统,寒冷季节长等独特的环境特点使其具有高的土壤有机碳含量。为了揭示长期轻度放牧对植物光合碳分配及植物光合碳在各库之间运移的影响,基于在青藏高原矮嵩草草甸开展的长期冬季轻度放牧和围栏封育实验,利用13C示踪方法揭示了放牧对光合碳在植物地上、地下组织的分配以及光合碳在植物、土壤各碳库中的运移和滞留。研究结果发现,在13C标记之后第30天,冬季轻度放牧样地的植物地上部分内13C约占开始时13C含量的32%,根和土壤中的13C约占22%,植物地上部分呼吸中的13C量约占30%。在放牧和围封这两个不同处理中,土壤中光合碳的滞留以及光合碳随土壤呼吸释放的速率存在显著差异。长期冬季轻度放牧促使植物将更多的光合碳输入到根和土壤碳库中。与围栏封育处理相比较,放牧处理下的13C从植物地上部分输入到地下的速率较快,通过土壤呼吸释放的速率也快,而植物地上部分和植物地上部分呼吸中13C的量较低。另外,高寒矮嵩草草甸土壤C储量在冬季轻度放牧和围栏封育处理下没有显著差异。我们的研究表明,尽管冬季轻度放牧改变了植物光合碳分配在地上和地下碳库中的分配,但是没有显著影响土壤碳库储量。

长期秸秆还田对水稻根系碳矿化与激发效应的影响

长期秸秆还田改变水稻土环境条件,从而会影响水稻残留根系碳在土壤中的矿化和激发效应,其影响的方向和强度尚不明确.因此,基于长期定位施肥试验,采用^(13)C-CO_(2)同位素标记技术,结合室内模拟培养试验,研究不施肥(CK)、单施化肥(CF)和秸秆还田配施化肥(CFS)这3种长期处理下,水稻根系和土壤本身有机碳的矿化特征,分析根系的激发效应的强度与方向,以及各处理CO_(2)释放量的来源组成.结果表明,经过120 d的室内淹水培养,根系残留(R)将CO_(2)累积释放量增加了617.41~726.27 mg·kg^(-1).CFS+R和CF+R处理根系来源CO_(2)累积释放量分别为470.82mg·kg^(-1)和444.04 mg·kg^(-1),根系的矿化率分别为18.8%和17.8%,均显著高于CK+R处理(384.19 mg·kg^(-1),15.4%).3个处理的土壤本身有机碳产生的CO_(2)累积排放量无显著差异,但CFS+R处理的土壤本身有机碳矿化率(4.2%)显著低于CF+R和CK+R处理(5.4%和5.8%).CFS+R处理中根系的CO_(2)累积激发效应为29.6%,显著低于CK+R处理的42.5%,高于CF+R处理的14.4%.淹水水稻土CO_(2)累积释放量中23.47%~27.59%来源于根系,其余来源于土壤,其中,激发效应引起的CO_(2)释放量占比在CFS+R处理中比CK+R处理小,比CF+R处理大.综上,淹水水稻土长期秸秆还田会提高根系碳的矿化潜力,但是更有利于土壤本身有机碳的稳定.

不同碳负荷梯度下稻田土壤有机碳矿化特征

易利用态有机碳是土壤微生物的重要碳源,影响土壤有机碳的矿化和累积过程,而易利用态碳源的输入量尤其是相对于土壤微生物生物量碳的不同输入负荷,对土壤有机碳的矿化影响机制尚不明确.因此,本研究采取室内模拟培养实验,选择不同浓度梯度添加[0. 5、1、3、5倍微生物量碳(MBC)]^(13)C-葡萄糖,分析葡萄糖-C的矿化特征及其激发效应.结果表明,葡萄糖-C矿化率随着外源碳添加量的增加而显著增加;葡萄糖-C向快库、慢库分配的比例也分别与碳添加量呈指数关系(R^2=0. 99,P <0. 05和R^2=0. 99,P <0. 05).在高添加量处理(3×MBC、5×MBC)中,葡萄糖的添加抑制土壤原有有机碳的矿化,即表现出负激发效应;而在低添加量处理(0. 5×MBC、1×MBC)中,表现为正激发效应,60 d培养结束后累积激发效应分别为160. 0 mg·kg^(-1)和325. 1 mg·kg^(-1).相关性分析结果表明在培养实验前期,累积激发效应主要受MBC、MBN和DOC的影响,而在后期主要β-葡糖苷酶、几丁质酶和铵态氮的影响.因此,稻田土壤有机碳矿化和激发效应与易利用态有机碳添加的碳负荷密切相关,并通过微生物量和酶活性调控土壤碳的矿化过程.本研究对于揭示稻田有机碳累积行为与推动农业可持续发展具有重要的科学意义.