在微生物的代谢活动下,土壤中有机态碳氮化合物矿化分解释放矿质养分和二氧化碳,深刻影响着自然生态系统土壤碳、氮等元素的循环转化、土壤的养分供应和有机质的更新,并对地上植被的演替和分布有极为重要的意义.青藏高原灌丛面积分布广泛,地形和气候条件复杂,但目前对灌丛分布地区土壤碳氮含量、矿化作用强度及其影响因素等的认识较少.研究结合土壤理化分析和高通量定量PCR(quantitative microbial element cycling,QMEC)技术研究了青藏高原喜马拉雅山-冈底斯山地区不同类型灌丛土壤碳氮含量、碳氮矿化速率和相关功能基因的分布特征及其与植被、气候和土壤因子间的耦联关系.结果表明,不同类型灌丛土壤的有机碳、全氮含量、CO2释放速率、净氮矿化速率、碳氮矿化基因的丰度有显著差异.其中,位于青藏高原东南部的雪层杜鹃和香柏灌丛分布区土壤有机碳和全氮含量、CO2释放速率、净氮矿化速率显著高于位于中西部的变色锦鸡儿、金露梅和砂生槐灌丛地区,并与年平均降雨量显著正相关.然而,碳、氮矿化基因丰度分布趋势与之相反,在雪层杜鹃和香柏灌丛分布区丰度显著低于中西部的三类灌丛,且与年平均降雨量呈显著负相关,但与土壤pH呈显著正相关.同时pH与年平均降水量、湿润指数和土壤含水率均为显著负相关.这些结果表明降水可通过增加盐基离子淋溶,使土壤盐基饱和度下降、氢饱和度增加,引起土壤酸化,进而影响碳氮循环过程,导致不同类型灌丛土壤碳氮元素的赋存及其周转速率差异.同时,碳、氮矿化相关功能基因丰度各类群间呈现显著的正相关关系,表明土壤碳氮循环过程间紧密的耦联关系.这些结果为准确评估青藏高原土壤碳、氮库及其动态平衡提供了重要信息和参考依据.

由微生物主导、依赖有机物供给的反硝化过程是珠江口氮移除的主要途径之一,可有效地将生态系统中的固定氮转化为N2或N2O释放到大气中.珠江口水体存在大量富含多糖和蛋白的生源有机颗粒物,该类有机颗粒物沉降到底层,影响反硝化过程的机制迄今尚不明确.通过培养实验,分析了富含蛋白的中肋骨条藻(Skeletonema costatum)和多糖颗粒对珠江口沉积物反硝化速率和反硝化功能基因的影响.研究结果表明:这两类有机物的添加能够刺激微生物矿化过程的发生,16S rRNA丰度和反硝化过程有关的基因nosZ与nir S丰度显著提高,矿化发生同时能够有效的为沉积物脱氮过程提供碳源与能量,提高了反硝化速率.就有机质可利用性而言,富含蛋白的中肋骨条藻和多糖的生物利用性存在差异,在添加中肋骨条藻组中,因有机质中蛋白含量高于多糖组,有机质降解速率高于多糖组,其可利用性高于多糖类有机质,并且蛋白类物质矿化过程中产生的NH4+也比多糖组高,NH4+通过硝化作用转换为硝酸盐,继续为反硝化过程提供硝酸盐,因此添加中肋骨条藻组反硝化速率显著高于添加多糖组.总之水体中生源有机颗粒沉降促进了沉积物—水界面中氮移除过程,并且这种促进作用与生源有机颗粒的可利用性呈正相关.

巴氏芽孢杆菌是源于土壤的革兰氏阳性菌,人们利用其高效的脲酶活性诱导产生碳酸钙的现象开发了多种应用场景.然而,巴氏芽孢杆菌的生物矿化相关代谢机制还不够明确,尤其是对在矿化作用中发挥核心作用的脲酶基因结构、表达调控机制及关联代谢等方面的研究相对较少.当前,巴氏芽孢杆菌应用研究中面临的矿化反应不可控性及不稳定性等问题都源于脲酶代谢机制的研究匮乏.因此,进一步揭示巴氏芽孢杆菌脲酶的基因信息、表达调控机制及相关代谢机理迫在眉睫.本文通过转录组测序,对比了4种培养条件下巴氏芽孢杆菌的生长情况和基因表达情况,解析了脲酶的代谢机制,结果进一步证明ATP合成与脲酶表达及尿素水解相关联,最终预测了脲酶的双操纵子结构.

土壤氮(N)的有效性是影响土壤微生物群落结构以及土壤氮循环的重要因子.为探索N添加对樟子松人工林氮素转化及N功能基因(NFGs)表达的影响及其作用机制,该文以塞罕坝千层板林场的樟子松人工林为研究对象,进行了2年的氮添加处理,设置4个不同氮添加水平0、1、5、10 g N·m-2·a-1,分别记作N0、N1、N5、N10,采用功能基因微阵GeoChip 5.0系统及室内土壤培养法,探讨了土壤NFGs对氮添加的反应及其对氮转化过程的影响.结果表明:(1)与N0相比,中低N添加处理(N1、N5)促进了氨化(ureC、nirA、nrfA)、硝化(amoA)和反硝化(norB)相关基因的相对丰度,高N处理(N10)则抑制了所有NFGs的表达.(2)相关分析表明,N1、N5的促进作用与土壤有机碳(SOC)、硝态氮(NO3--N)和微生物生物量碳(MBC)显著相关,N10处理显著降低了所有氮转化过程NFGs的相对丰度,这种负面影响与溶解性有机碳(DOC)、MBC含量的减少有关.(3)与氮转化基因丰度规律趋势相似,N1和N5处理显著增加了净N硝化、净N矿化以及N2O的排放速率,但N10促进作用不明显,表明氮添加对氮转化的促进作用存在阈值.(4)多元回归分析进一步表明,amoA-AOB和MBC是影响净N硝化的关键因素,ureC、nirK和MBC是影响净氮矿化的关键因素,narG、nirS是影响N2 O排放的关键因素.综上,N添加可提高促进樟子松人工林的氮转化及提高部分特定酶功能基因的相对丰度,但氮添加水平存在阈值,当施用10 g N·m-2·a-1时,氮转化受到抑制,添加5 g N·m-2·a-1是促进樟子松人工林土壤N转化的较佳水平.

为研究氮添加影响森林土壤有机磷矿化的微生物调控机制,分析了10年的野外氮添加(100 kg N ha-2year-1)对沙地樟子松人工林土壤微生物中编码酸性磷酸单酯酶、碱性磷酸单酯酶和植酸酶的功能基因(phoC、phoD和appA)丰度及相关酶活性和土壤理化性质的影响.结果表明,氮添加使樟子松人工林土壤中酸性和碱性磷酸单酯酶活性分别下降了18.09％和55.29％,植酸酶活性下降了41.88％.氮添加使土壤微生物中各基因拷贝数分别下降40.97％(16S-rRNA)、78.38％(phoD)、67.92％(phoC)、74.37％(appA).各基因拷贝数占总细菌基因拷贝数的比例显著下降了61％(phoD)、44％(phoC)、55％(appA).土壤微生物量碳、微生物量磷含量与酸性磷酸单脂酶、碱性磷酸单脂酶、植酸酶活性及16S rRNA、phoD、phoC、appA基因丰度显著正相关.土壤铵态氮含量与酸性磷酸单脂酶、碱性磷酸单脂酶活性及16S rRNA、phoC、appA基因丰度显著负相关.酸性磷酸单酯酶活性与其基因丰度显著正相关,其他两种酶活性与其基因丰度无显著相关性.以上结果表明,氮添加不仅降低了土壤解磷微生物丰度,还降低了解磷细菌在总细菌中的比例,从而大大降低了磷酸酶活性,抑制了有机磷的矿化.

探究不同耕作方式对黑土氮(N)、磷(P)、硫(S)循环功能微生物丰度及组成的影响,对黑土可持续利用具有重要意义.本研究基于吉林省长春市为期8年的定位试验,对免耕(NT)和传统耕作(CT)下不同土层黑土 N、P、S循环功能微生物丰度和组成及其驱动因素进行分析.结果表明:与CT相比,NT显著增加了 0～20 cm 土层土壤含水量(WC)和微生物生物量碳(MBC).NT显著增加了 0-20 cm 土层与N、P和S循环功能相关的编码基因丰度:包括编码氧化亚氮还原酶基因nosZ、固氮酶基因nifH和脲酶基因ureC的丰度,有机磷矿化过程关键基因phnK和phoD、编码吡咯喹啉醌合成酶基因ppqC和外切多聚磷酸酯酶基因ppX的丰度,以及硫氧化过程关键基因soxY和yedZ的丰度.方差分解分析和冗余分析结果表明,土壤基本特性是N、P、S循环功能微生物组成的主要影响因素(总解释率为28.1％),并且耕作方式导致的土壤MBC和WC变化是黑土 N、P、S循环微生物功能潜力最主要的驱动因子.综上,长期免耕可通过影响土壤环境间接增加土壤特定微生物功能基因丰度,本研究从分子生物学角度阐明免耕可以作为改善土壤健康和维持农业绿色发展的有效耕作措施.