028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

日期: 2021-08-20
标签:

Abstract: Understanding the effects of changing climate and long-term human activities on soil organic carbon (SOC) and the mediating roles of microorganisms is critical to maintain soil C stability in agricultural ecosystem. Here, we took samples from a long-term soil transplantation experiment, in which large transects of Mollisol soil in a cold temperate region were translocated to warm temperate and mid-subtropical regions to simulate different climate conditions, with a fertilization treatment on top. This study aimed to understand fertilization effect on SOC and the role of soil microorganisms featured after long-term community incubation in warm climates. After 12 years of soil transplantation, fertilization led to less reduction of SOC, in which aromatic C increased and the consumption of O-alkyl C and carbonyl C decreased. Soil live microbes were analyzed using propidium monoazide to remove DNAs from dead cells, and their network modulization explained 60.4% of variations in soil labile C. Single-cell Raman spectroscopy combined with D2O isotope labeling indicated a higher metabolic activity of live microbes to use easily degradable C after soil transplantation. Compared with non-fertilization, there was a significant decrease in soil α- and β-glucosidase and delay on microbial growth with fertilization in warmer climate. Moreover, fertilization significantly increased microbial necromass as indicated by amino sugar content, and its contribution to soil resistant C reached 22.3%. This study evidentially highlights the substantial contribution of soil microbial metabolism and necromass to refractory C of SOC with addition of nutrients in the long-term.


摘要:了解气候变化和人类长期活动对土壤有机碳(SOC)的影响以及微生物的调控作用是维持农业生态系统土壤C稳定的关键。本研究进行了一个长期土壤移置实验即将寒温带的黑土迁移至暖温带和中亚热带地区以模拟不同的气候条件,并在顶部进行施肥处理。研究旨在了解在温暖气候条件下长期群落培养后,施肥对土壤有机碳的影响以及土壤微生物的作用。土壤移置12年后,施肥导致SOC减少,其表现为芳香C的增加,以及烷基C和羰基C的减少。用叠氮溴化丙锭去除死细胞中的DNAs后,对土壤中活的细菌群落进行了分析,发现其网络模块化解释了60.4%土壤易分解C变化。单细胞拉曼光谱结合D2O同位素标记表明土壤移置后活微生物对易降解碳的代谢活性较高。与不施肥相比,气候变暖与施肥条件下,土壤α-β-葡萄糖苷酶活性显著降低,微生物生长延缓。此外施肥显著增加了土壤微生物残体(necromass,以氨基糖含量为指标),其对土壤顽固性碳的贡献率达22.3%。本研究强调了土壤微生物代谢和残体对土壤稳定性有机碳固存的重要贡献。


研究背景:

土壤SOC是陆地生态系统中最大的C库,其动态变化直接影响全球C平衡。土壤C和氮(N)循环紧密耦合,并很大程度上受气候变化和人类活动的影响。长期施肥增加了土壤养分有效性,并显著地影响土壤C动态。尽管施肥具有增加土壤C储量的潜力,但就长期而言,土壤C稳定性取决于未来气候变化。土壤有机碳对长期施肥的响应程度和方向受温度和降水的影响。根据农业生态系统的长期野外观测和模型模拟,发现土壤养分和气候因子的交互影响决定了32%土壤有机碳的变异,并与微生物代谢、酶活性和残体微生物周转密切相关。

土壤微生物不仅能分解土壤有机质,还能代谢植物残体或通过合成代谢形成残体来稳定土壤C。微生物残体通常与土壤矿物质表面紧密结合而形成相对稳定的C。土壤微生物碳泵理论表明,微生物通过体外修饰(ex vivo modification)和体内周转(in vivo turnover)来调节土壤碳的积累。这意味着作为难降解C微生物代谢产物或残体对有机碳的贡献很大,而养分或易降解C的添加也可以长期增加土壤有机质。这一过程受到多因素环境变化的强烈影响。因此,需要进一步研究不同气候条件和长期施肥下微生物生理代谢和残体对土壤碳的贡献,以更好地理解农业土壤有机碳的积累和稳定性。


主要结果:

1. 施肥对不同气候条件下SOC数量与质量的影响

土壤移置12年后,在较温暖的气候条件下,SOC的损失显著减少(TransS2处理)(Fig. 1a)。施肥显著提高了TransS2处理下土壤顽抗性碳组分(RC)中的芳香C含量,其芳香度指数是Trans S2处理的2.7 Fig. 1a, b,表明了在温暖的气候条件下,施肥促进了腐殖化过程。对于土壤活性C组分(LC)而言,气候变暖条件下未施肥土壤中氧烷基C和羰基C降低,而施肥显著减缓了LC的损失。TransS2处理土壤在施肥后烷基/氧烷基C比率的降低(Fig. 1b)表明了施氮对易分解C的消耗具有潜在抑制作用。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

土壤移置12年后,不同气候条件下施肥对土壤有机碳及其分子群的影响a代表在不同气候条件下TransS1表示寒温带土壤移至暖温带;TransS2表示寒温带土壤移至亚热带)施肥对SOC以及其分子类群(烷基CO-烷基C,缩醛C,芳香C和羰基C)的影响;bA/O-A%%=烷基C峰面积(0-45 ppm/O-烷基C峰面积(45-90 ppm*100%,芳香性程度(%=芳香C峰面积(110-160 ppm/总峰面积(0-160 ppm*100%。图中******分别代表p < 0.05p < 0.01***p < 0.001


2. 活细菌群落和总微生物群落组成和结构的变化

施肥显著改变了不同气候条件下细菌群落的组成和结构(Fig. 2a, 增加活细菌α-多样性,降低总细菌α-多样性。与土壤地球化学属性的影响相比,施肥和气候因子(MATMAP)是改变活微生物群落结构和总微生物群落结构的主导因素(Table 1)。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

Fig. 活微生物和总微生物的群落组成及模块化分析。a代表活细菌群落和总细菌群落组成的比较,图中仅显示了相对丰度排名前十的细菌门,其他细菌门均表示为“其他门”;b基于随机森林模型,在活微生物和总微生物中排名前八的网络模块对土壤不稳定碳(LC)成分变化的贡献。


Table 1 微生物群落组成与土壤理化性质(pHSOCTNTPNO3--N, NH4+-N),气候条件变化和施肥之间Mantel及偏Mantel检验。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

         3. 活微生物/总微生物比与土壤易分解碳和顽固性碳之间的关系

随机森林模型中有5活微生物模块和3微生物模块对LC变化有显著贡献,解释率分别为60.4%44.9%Fig. 2b)。总微生物对RC的贡献率(78.81%)高于活微生物(70.69%) Fig. 2b)。


4. 活微生物对碳组分贡献的实验分析

通过Raman-D2O法研究了活细菌的代谢活性,确定其在土壤移植后的降解能力(Fig3)。采用不同的基质(淀粉和纤维素)以及D2O培养细菌,其培养物在2040~2300 cm-1范围内表现出明显的C -D拉曼谱带。以淀粉为C源的情形下, TransS1TransS2C-D/C-D + C-H)比值显著高于原位处理,而以纤维素为C源的情形下则趋势相反。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

Fig. 3 在施肥土壤中,以D2O同位素标记同时结合单细胞Raman光谱技术探究不同碳源培养条件下土壤微生物的代谢活性。左侧代表拉曼光谱,右侧代表 C-D比率(C-D/C-D+C-H))以及在50% D2O的无机盐+淀粉培养基中培养24h后土壤细菌的拉曼mapping图;b代表拉曼光谱,C-D比率以及在无机盐+纤维素培养基中培养的土壤细菌的拉曼mapping图;*****分别代表p < 0.01p < 0.001

施肥显著降低了TransS2中土壤α-β-葡萄糖苷酶活性(Fig. 4a)。通过接种土壤悬浮液测试活体微生物对不同C淀粉和纤维素分解能力的实验显示施肥显著降低了淀粉和纤维素分解所产生的CO2Fig. 4b),这表明施肥减少了TransS2土壤不稳定碳和稳定碳的损失。此外,分别绘制了活细菌在淀粉和纤维素中的生长曲线Fig. 4c。在较温暖的气候条件下,施肥土壤中细菌的生长活性低于未施肥土壤。特别是在淀粉碳源的情况下,施肥土壤中的细菌加速进入稳定期,而未施肥土壤中的细菌持续生长。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

Fig. 不同气候条件下施肥对不同碳源的土壤微生物代谢能力和生长的影响。a代表土壤酶活性(α-和β-葡萄糖苷酶);b代表微生物降解淀粉和纤维素能力的微环境实验;c代表以淀粉和纤维素为C源培养条件下活的土壤微生物的生长曲线(n=9)。


         5. 基于氨基糖分析探究微生物残体对SOC 的贡献

TransS2处理下,施肥显著增加微生物残体含量Fig. 5a。土壤移置12年后,微生物死生物质的积累增加。采用偏RDA方法估算了土壤中活体微生物和死微生物以及土壤地球化学属性对LCRC组分的贡献(Fig. 5b):活细菌对LC组分的贡献率为30.9%,远高于死微生物对LC组分的贡献率(1.1%)。死亡微生物对RC组分的贡献率为22.3%,高于活微生物(6.4%),表明了微生物残体可能是土壤RC的主要贡献者。

基于微生物 C泵理论,微生物代谢产物或残体可以对RC-SOC有很大的贡献,这强调微生物在碳吸存过程中的调节作用。本研究构建了一个概念框架,以揭示在氮缺乏和充足的情况下,微生物生理代谢和残体调控SOC吸存的潜在作用机制(图6)。在温暖气候条件下,施肥可通过促进微生物残体的积累来补充土壤中的顽固性碳(芳香族C),同时降低活微生物对不稳定的C组分的消耗来增加土壤C吸存。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

Fig. 5 微生物死生物质对土壤SOC的贡献。a代表作为微生物残体生物标志物的土壤氨基糖含量,包括来自死真菌的氨基葡萄糖和来自死细菌的氨基半乳糖和胞壁酸,大写字母表示不同气候条件下施肥效应具有显著差异,小写字母表示原位与移栽之间具有显著差异;b代表土壤地球化学性质、活细菌生物量和细菌氨基糖含量对土壤LCRC影响的偏冗余分析(pRDA)。

不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

Fig. 6不同气候条件下施肥与非施肥土壤微生物对有机碳分子群的潜在调控机制示意图。上图中土壤颜色梯度反映了LCRC分量的变化,高度代表了SOC的含量。左下图表示了不同气候条件下氮素限制或充足对微生物SOC代谢的影响机制。在不施肥的情况下,由于氮素的限制,植物和微生物可能会发出更强的氮饥饿信号,微生物产生更多的胞外酶分解有机碳以获得氮源。此外,氮素缺乏减少了植物根系分泌物(易于降解的碳源)的输入,增温加速了土壤中不稳定碳的消耗,进一步刺激了土壤中微生物呼吸对稳定碳的利用,导致土壤有机碳的减少。在施肥情况下,土壤微生物残体的增加补充了土壤不稳定碳,低氮饥饿信号降低了微生物对土壤稳定碳的消耗。


不同气候条件下长期群落培养后微生物代谢及其残体介导的施肥对有机碳的影响

  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2024 - 09 - 12
    1、试剂柠檬酸(AR) 柠檬酸三钠(AR) 无水甲醇(AR) 三氯甲烷(AR) 丙酮(AR) 甲苯(AR) 氢氧化钾(AR) 冰乙酸(AR) 正己烷(色谱纯) 十九烷酸甲酯(19:0)2、仪器气相色谱仪 冻干机 振荡仪 过柱装置 水浴锅 水浴氮吹仪 干式氮吹仪 高速离心机3、材料高速离心管 试管(100 mL、5 mL) 10 mL具塞试管 3 mL硅胶柱 玻璃滴管(可拆卸橡胶头)黑色塑料袋 玻璃量筒(1 mL、5 mL) 移液器(5 mL、1 mL、100 μL)4、试剂制备柠檬酸缓冲液:称取柠檬酸37.5 g,柠檬酸三钠44.1 g,溶于1 L超纯水中。提取液:依次加入柠檬酸缓冲液64 mL、无水甲醇160 mL、三氯甲烷80 mL,混合均匀。(现用现配,低温隔夜会析出盐)。甲醇甲苯混合溶液(1:1):15 mL无水甲醇、15 mL甲苯混合均匀(现用现配)。0.5 mol/L KOH溶液:称取28.05 g KOH,溶于1 L超纯水中。0.2 mol/L KOH甲醇溶液(2:3):取0.5 mol/L KOH溶液40 mL,溶入60 mL无水甲醇。1 mol/L冰乙酸溶液:取1.74 mL冰乙酸,溶入30 mL去离子水。5、样品处理土样冻干:称取土壤4.00 g(沙土8.00g)于高速离心管中,冰冻过夜,随后放入冻干机冻干。土壤含水率测定:称取土壤5.00 g于105 ℃下烘干3 h,随后冷却至室温,取出称重,计算含水率。6、测定6.1取出冻干土样,加入23ml提取液,避光振荡2h;6.2离心取上清液,重复步骤1 ,合并两个上清液;6.3依次加入三氯甲烷、柠檬酸缓冲液,避光过夜;6.4去除上清液,吹干三氯甲烷;6.5过柱;6.6吹干无水甲醇,用甲醇甲苯溶液、KOH甲醇溶液复溶,水浴,冷却至室温;6.7加入去离子水、冰乙酸...
  • 点击次数: 0
    2024 - 09 - 10
    一、微生物碳利用效率的概念及其环境意义微生物碳利用效率(CUE):微生物分配给生长的碳量占吸收总碳量的比率,体现了微生物合成代谢和分解代谢之间的平衡。二、微生物碳利用效率测定的原理设置18O标记处理以及加入等量自然丰度水的对照组,通过培养过后DNA中18O丰度的差值来判读加入土壤的标记水有多少进入了新产生的DNA中,由此估算微生物生长速率。测定方法——18O-H2O培养法:试样的准备:收集200g左右田间土壤样品,混匀,将其中的大约100g土壤鲜样通过2mm 孔径筛,去除石头和肉眼可见的根等杂质,装入聚乙烯样品袋备用。预培养:*土壤野外采回后迅速过2mm筛,去除土壤内石块、根系、凋落物等;*烘干法测量土壤含水量土壤;*尽快将过筛后土壤熏蒸浸提法测量微生物MBC;(1) 田间持水率的测定调整土壤含水量到60%田间持水量(WHC,water holding capacity);将土壤放入实验所需温度培养箱进行预培养,预培养时间遵照实验设计(2)预培养土样控水处理18O标记培养一个样本一个对照组,或根据样本情况挑选20%样品做对照土壤DNA的提取野外采集土壤带回实验室迅速分装冻干提取DNA,并测得DNA含量。18O丰度测定吸取DNA提取液于洁净的银囊(已称重)中并置于60℃烘箱中干燥整夜后(称重)包好,用质谱仪测定18O丰度和总氧含量。MBC测定氯仿熏蒸提取法...计算更多检测相关讯息so栢晖生物了解更多~
  • 点击次数: 0
    2024 - 09 - 10
  • 点击次数: 0
    2024 - 09 - 10
    本标准规定了去除杂质、风干、烘干、磨碎等制备森林植物及森林枯枝落叶层样品的方法。本标准适用于森林植物及森林枯枝落叶层样品的制备。样品制备流程 1、去除杂质  植物样品,如果是叶子,要用清洁的湿纱布揩擦干净,如果是树皮或根,则将其表面的干土用刷子把它刷净;微量元素分析用的样品须用1~3g/L去垢剂溶液洗涤,再用水淋净。森林枯枝落叶层样品要挑尽混在其间的石砾、土块等非有机物质。 2、风干和烘干  把揩擦干净的植物新鲜样品及森林枯枝落叶层样品放在通风的地方,铺成薄层,并经常翻动使尽快风干,切不可使其霉变,风干后装入布口袋中。在有烘箱的条件下,可把擦干净的植物新鲜样品及森林枯枝落叶层样品松松地放入烘箱中,一般分两步干燥:先将植物新鲜样品在80~90℃鼓风烘箱中烘15~ 30 min(松软组织烘15 min,致密坚实的组织烘30 min),然后降温至65℃,森林枯枝落叶层样品可直接 在65℃烘干。干燥时间须视新鲜样品含水量而定,通常为12~14 h。然后装入布口袋中。 3、磨碎  样品磨碎前需在65℃烘箱中烘到发脆,然后再进行磨碎处理。如果只测定氮、磷、钾、钠、钙、镁,则可用植物粉碎机磨碎,并通过2mm筛孔,然后装于磨口广口瓶中备用。若分析项目除以上内容外,还要测定微量元素,则样品可用不锈钢剪刀剪细或放在研钵中研碎,并通过2 mm尼龙筛孔,然后装入磨口广口瓶中备用。木材试样可用刨子刨成刨花或用刀劈成小块后再用不锈钢剪刀剪细,装于磨口广口瓶中备用。注:1、已发霉的样品不能用来作森林植物的化学分析,因发霉可促进样品内部酶的催化作用,造成有机物质的严重损失。2、制备样品时应防止烟雾和灰尘污染。更多检测相关内容so栢晖生物了解更多~
文体活动 MORE+
案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
微信公众号
检测咨询热线
Q  Q : 2105984845
地址:四川省成都市成华区成宏路72号-四川检验检测创新科技园2号楼4层
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
电话:028 8525 3068
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务