紫色土自养微生物活性及群落结构的研究

Carbondioxide fixation by soil autotrophic microorganism, one of the most important biological processes involved in the soil carbon cycle, could decrease the carbondioxide concentration in the atmosphere and increase the content of soil carbon pool. In this project, the purple soil, which is unique in the world and the main soil type in the Southwest China, will be selected as target. Using the large subunit of RubiosCo gene (cbbL gene) as biomarker, the effects of soil environmental factors, such as long-term fertilization on the community composition and activity of soil autotrophic microorganism will be investigated through modern molecular techniques. Then, in order to study the mechanism affecting soil autotrophic organism and explore the active autotrophic microorganism in the purple soil, through microcosm culture experiment, using the combined method of molecular technology and DNA-SIP, the responses of soil alive autotrophic microorganism to some key soil factors, such as energy sources, pH, water content, light, and carbondioxide concentration, will be examined. This study will clarify the main factors affecting the activity and community structure of autotrophic microorganism, and main active population in the purple soil, which should be very important for the discovery of the microbiological mechanism of soil carbon cycle. On the other hand, this study also can afford some useful basic theories for the drawing up of the reasonable farmland management measure aimed at increasing the soil carbon pool and decreasing soil carbon emission.

土壤自养微生物对二氧化碳的同化是土壤碳循环中的重要环节，对减少大气二氧化碳浓度，提高土壤碳储量起到十分重要的作用。本研究立足我国西南地区，选择本区域独有的紫色土为研究对象，以编码开尔文循环的关键酶，1,5-二磷酸核酮糖羧化酶大亚基的cbbL基因为分子标识，拟通过现代分子生物方法来研究长期定位施肥对紫色土自养微生物活性及群落结构的影响。之后，结合土壤微宇宙培养试验，利用稳定同位素探测（SIP）技术进一步深入研究pH、含水量、温度等环境因子及能源、碳源对紫色土自养微生物活性及群落组成的影响。进而探讨影响紫色土自养微生物活性和群落结构的关键因子，阐明影响紫色土自养微生物活性的微生物机理。本研究将为揭示土壤碳循环过程的微生物机理打下基础，同时为本区域制定合理的耕作措施，以增加土壤碳储量、减少二氧化碳排放提供一定的理论依据。

土壤自养微生物对二氧化碳的同化是土壤碳循环中的重要环节，对减少大气二氧化碳浓度，提高土壤碳储量起到十分重要的作用。本研究立足我国西南地区，选择本区域独有的紫色土为研究对象，以编码开尔文循环的关键酶，1,5-二磷酸核酮糖羧化酶大亚基的cbbL基因为分子标识，通过现代分子生物方法研究了长期定位施肥及环境因子对紫色土自养微生物活性及丰度的影响。结果表明，26年的长期定位施肥通过影响土壤pH和含氮量而降低了土壤RubisCO酶活性，但增加了土壤cbbL基因丰度，并改变了土壤细菌cbbL群落结构；土壤pH和速效氮不仅是影响土壤细菌cbbL群落结构的主要因子，还是决定土壤cbbL丰度的关键因素；此外，以还原态硫化物为能源物质的Sulfuricaulis limicola在紫色土中有较高的丰度。室内的不同含水量培养实验表明，土壤含水量能够显著影响土壤有机碳含量、cbbL丰度和RubisCO酶活；且土壤cbbL丰度与RubisCO酶活间呈显著正相关，而它们均与土壤有机碳含量呈显著负相关；可见，土壤水分含量是影响紫色土自养微生物丰度和活性的关键因子，它们均有随含水量升高而增加的趋势。不同pH紫色土不同光照条件下的培养实验表明，中性土壤RubisCO酶活显著高于酸性及碱性土，再次证实pH是影响紫色土自养微生物活性的关键因子；光照处理中RubisCO酶活及cbbL基因丰度普遍高于黑暗处理，表明光能型自养微生物在紫色土碳固定过程中起到不可忽略的作用。最后，我们开展了添加能源物质（Na2S）的13C-CO2标记土壤培养实验。结果表明，添加能源的短期培养（28天）对紫色土RubisCO酶活及cbbL丰度均无显著影响；但培养28天后，13CO2成功标记到土壤携带cbbL基因的自养微生物中，其已经作为碳素来源被紫色土中的自养微生物所同化；此结果可为揭示紫色土中直接参与CO2固定的活性自养微生物类群打下基础。综上，本研究将为揭示土壤碳循环过程的微生物机理打下基础，同时为本区域制定合理的耕作措施，以增加土壤碳储量、减少二氧化碳排放提供一定的理论依据。