土壤微生物及小型动物与有机物料分解的关系

【摘要】随着科学技术发展，作为一项成熟技术，稳定同位素技术已经广泛应用在生态学研究的诸多领域。本研究以碳稳定同位素为手段，通过建立由简单到复杂的土壤食物链体系，研究微生物对不同结构底物的分解利用。本研究在采用单个菌株分批培养，研究细菌在利用不同简单碳源过程中碳同位素分馏的基础上，建立由土壤微生物和土壤小型动物构成的简单食物链，研究不同营养级生物间捕食过程中碳同位素的分馏；采用浓度梯度稀释法建立不同多样性结构的食物链，研究不同复杂程度的食物链中微生物分解简单碳源过程中的同位素分馏；在了解微生物在不同土壤条件下分解结构复杂的碳源过程中碳同位素的分馏后，在土培条件下，通过添加碳同位素标记物研究添加底物对土壤原有有机碳的激发效应。研究结果对理解碳稳定同位素在研究土壤食物链及农田土壤转化中的应用，阐明土壤食物链初级营养级联中的生物在土壤有机质分解及物质循环中的作用具有重要理论意义。主要研究结果和结论如下：1.通过对单种生物体大肠杆菌Escherichiacoli以不同来源碳源进行无菌培养，发现E.coli在对不同碳源利用过程中产生的同位素分馏程度不同。当E.coli利用C3-glucose底物时，其自身生物量的δ13C-MBC相对于所利用的底物发生显著富集；而当E.coli以C4-glucose为底物时，自身生物量的δ13C-MBC发生较小程度贫化。同样，在利用不同碳源时单个生物体中的δ13C-CO2也发生同位素分馏，趋势与δ13C-MBC相同，但差异并不显著。进一步测定发现，利用C4-glucose时E.coli不同代谢产物同位素组成间存在显著差异。其中脂肪酸和乙酸的同位素组成差异尤为显著，前者相对于底物产生贫化而后者相对于底物产生富集。这一结果表明，微生物在利用不同来源碳源时产生的同位素分馏现象源于微生物对碳的不同吸收机制。具有不同原子配比的底物碳源以不同速度通过特殊的生物化学途径被微生物吸收利用从而产生同位素分馏。以上研究表明，在研究土壤有机质转换和土壤食物链中能量流动时，很有必要对单种微生物群体进行研究。2.选用土壤中具有代表性的快生细菌捕食者原生动物Cercomonassp.以及线虫Caenorhabditiselegans，利用室内液体培养测定原生动物、线虫单独或共同捕食经13C标记的细菌E.coli过程中碳稳定同位素组成的变化，其中将E.coli以细菌菌悬液和经冲洗的细胞体两种形态供原生动物和线虫捕食。结果显示，不同结构食物链的不同生物间会发生同位素分馏，以原生动物和线虫共同捕食细菌时同位素分馏程度最为显著。在线虫对细菌捕食的间接营养级联中同位素分馏程度高于在原生动物对细菌捕食的直接营养级联中同位素分馏，而以不同形态细菌为食物的不同食物链中同位素分馏程度差异并不显著。结合捕食过程中不同食物链中生物活性及数量的变化认为：当食物级联比较单一时，被捕食者可能通过释放某种代谢产物逃避、甚至对捕食者起到毒害作用，使得捕食活动降低，进而降低物质能量的转化；当营养级联比较丰富时，不同捕食者能够利用食物的不同代谢物；不同捕食者之间也会因互相竞争食物，甚至互相捕食而促进能源物质的转化速率，因此形成捕食过程中较大程度的同位素分馏。以上研究结果为营养级联中碳的运移提供了证据，对研究量化土壤动物营养消耗，理解土壤生态中每个营养级如何履行其能量转换具有重要作用。3.采用浓度梯度稀释法，经长期培养获得具有不同微生物群落结构的一组土样后，在无菌条件下将土样悬浮液接种至不含碳的无菌人工培养土中，并加入葡萄糖为唯一碳源，研究接种不同微生物群落条件下碳同位素组成变化。Biolog-ECO微平板测定结果显示，微生物群落功能多样性随着土壤悬浮液接种浓度增高而降低，同时在接种高稀释浓度土壤悬浮液的处理中未分离到原生动物，充分说明浓度梯度稀释培养法的可行性。不同处理中微生物利用碳源过程中产生同位素分馏，且同位素分馏程度与处理中接种的土壤悬浮液稀释浓度呈显著正相关。同位素分馏程度随着培养时间延长逐渐增强，在接种低稀释浓度土壤悬浮液的处理中分馏程度更为显著。结合不同处理中微生物的功能多样性以及微生物数量的变化，分析认为，同位素的分馏趋势一方面反映不同群落结构中不同营养级微生物间的相互竞争，微生物群落结构越复杂，则微生物间的竞争、捕食活动越频繁剧烈，从而促进营养物质循环。同位素分馏趋势也反映了微生物生长繁殖的过程，培养初期只有一些生长较快的细菌进行呼吸分解活动，随着培养时间延长，一些生长缓慢的细菌、真菌以及原生动物的活性逐渐增强。以上研究结果表明，营养级联的活性及其对同位素分馏的影响随培养时间延长而增强。该部分研究证明，碳同位素分馏现象是土壤中物质分解过程中普遍存在的现象。这一知识点为更好理解土壤碳循环过程提供了有力依据。4.在无菌条件下将土壤悬浮液接种至不含碳的无菌人工培养土样中，并添加一定量的经粉碎的玉米叶粉。其中人工培养土样由不同规格经酸洗的砂石及粘土组合而成，部分砂石被铁氧化物包裹。通过测定所添加的碳源转化过程中同位素分馏，进一步理解土壤组成、土壤矿物质及土壤容重对有机质转化的影响。试验结果表明，微生物在利用添加底物时，会优先选择利用底物中13C较低的部分。微生物对底物的选择性利用使得培养过程中δ13C-CO2随培养时间延长由起初低于添加底物的δ13C到培养末期高于所添加底物的δ13C值。同时，由于土样组成及矿质含量不同，加入的底物和微生物代谢产物容易被吸附而不利于微生物活性代谢，进而影响到分解过程中的同位素分馏。此外，由于土壤容重较高，使得微生物代谢活性降低，进而导致微生物对底物的利用速率减缓，因此δ13C-TOC没有明显变化。该部分研究证明，土壤组成和矿物质含量影响有机质的均匀性分布以及微生物活性，进而影响有机质的分解。5.利用稳定同位素示踪技术，研究了玉米秸秆对表层农田土壤和含碳量低的砂石土壤有机碳分解、微生物生物量碳动态变化的影响。结果表明，含碳量低的砂石土壤中有机碳分解速率显著低于表层农田土壤，但是其激发效应却显著高于表层农田土壤。玉米秸秆的添加使土壤总微生物量碳和原有土壤微生物量碳均显著增加。
【作者】杨卫君；
【导师】李世清；SorenChristensen；JakobMagid；
【作者基本信息】西北农林科技大学，生态学，2014，博士
【关键词】碳稳定同位素；土壤微生物；土壤小型动物；添加底物；δ13C值；

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