蚯蚓肠道微生物对含钾矿物的风化作用研究

As the most important soil and ecosystem “engineers”, earthworms can accelerate the weathering of potassium-bearing minerals. Earworms’ gut microflora, playing an important role in the weathering of potassium-bearing minerals mediated by earthworms, is an essential ‘‘organ’’ due to their fundamentally important role in the metabolism of their host. Potassium solubilizing microorganism will be isolated from earthworms’ gut and identified through their biochemical characters and molecular phylogenetic analysis. To investigate the potassium-dissolving mechanism of these microbes, microbial metabolites will be determined by liquid chromatography–mass spectrometry (LC-MS) and gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS), and then study their role in microbial mineral weathering. In addition, these microorganisms’ cooperative relationships and synergistic mechanism during solubilizing potassium-bearing minerals will be also investigated. This research will help us to better understand the mechanism of the mineral weathering by earthworms as well as their intestinal microflora, and provides a scientific basis for the development of the bio-potash fertilizer, which is made from low-grade potassium-bearing minerals.

蚯蚓不但是土壤和生态系统的“引擎”，而且已证明还能促进含钾矿物的风化。蚯蚓肠道微生物相当于蚯蚓一个独特的生理“器官”，在蚯蚓风化含钾矿物过程中发挥着重要作用。项目拟采用可培养的方法从蚯蚓肠道内分离出解钾微生物，利用分子系统学和生理生化实验的方法研究这些微生物的种类及其分类地位；根据液-质联用与气-质谱联用分析结果，探明促进含钾矿物风化的微生物代谢产物，分析它们在风化含钾矿物过程中的功能，进而探讨蚯蚓肠道内解钾微生物风化含钾矿物的机理；另外，对蚯蚓肠道解钾微生物在风化含钾矿物过程中的协同关系做出分析，并对它们协同风化含钾矿物的机制进行研究。项目的开展有利于进一步理解蚯蚓及其肠道微生物风化含钾矿物的机理，并为发展低品位含钾矿物的生物转化工艺提供相关科学依据。

蚯蚓不但是土壤生态系统的“工程师”，还能够促进含钾矿物的风化。蚯蚓肠道微生物在蚯蚓风化含钾矿物过程中发挥着重要作用。本研究分析了蚯蚓的肠道微生物区系，探讨了参与风化矿物的微生物类群；采用可培养的方法从蚯蚓肠道内分离出解钾微生物后并利用分子系统学和生理生化实验的方法对其进行了鉴定；根据气质色谱结果，分析了蚯蚓对土壤中有机化学成分的影响，进而探讨了蚯蚓及其肠道微生物风化含钾矿物的机理；用RNA-seq技术研究了蚯蚓在促进矿物风化过程中的分子调节机制；用宏基因组的方法研究了蚯蚓肠道微生物的功能基因，用宏蛋白质组的方法分析了蚯蚓处理前后土壤的差异蛋白质，进而对蚯蚓肠道解钾微生物在风化含钾矿物过程中的协同机制进行了探讨。蚯蚓肠道微生物分析结果表明，变形菌门和拟杆菌门的微生物丰度在营养贫乏的矿物基质饲养蚯蚓的肠道中比在有机质含量丰富的基质饲养蚯蚓的肠道中高很多，这些微生物可能通过风化矿物，释放矿物中的元素供给蚯蚓生长发育，从而帮助蚯蚓在营养极其贫乏的矿物基质中得以生存。转录组分析结果显示，在矿物基质与有机质饲养的蚯蚓之间无论是整个转录组，还是与消化系统相关的基因，表达差异都较大，而不同矿物基质饲养的蚯蚓二者差异则较小。蚯蚓对矿物的风化是许多基因、多种代谢途径共同调节的结果。蚯蚓处理的土壤与无蚯蚓的土壤二者之间有机化学成分有很大的不同，蚯蚓诱导的微生物对土壤矿物的风化应该是在土壤矿物局部区域发挥作用，其风化机理用综合效应假说解释更为合理。蚯蚓肠道内容物的宏基因分析结果显示蚯蚓肠道微生物对矿物风化主要涉及与氨基酸的转运和代谢、能量生产和转换、碳水化合物的转运和代谢、细胞膜的生物合成、无机离子的转运和代谢等功能相关的基因，蚯蚓肠道中的微生物可能通过这些基因在营养缺乏的土壤和矿物中调控代谢网络，相互协同，进而风化矿物，帮助蚯蚓得以生存。蚯蚓处理过的土壤与无蚯蚓的土壤差异蛋白主要与碳代谢、碳固定和氨基酸合成等有关，蚯蚓及其肠道微生物影响可能通过影响土壤微生物的这些代谢过程，进而促进土壤矿物的风化。上述研究结果，为我们探讨蚯蚓及其肠道微生物风化含钾矿物的机理提供了重要的生物地质学证据。