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刘建博士研究组在湿地挺水植物对氮素转化过程的影响机制研究方面取得新进展

山东大学刘建博士研究组在湿地挺水植物对氮转化过程影响机制的研究取得新进展,揭示了人工湿地挺水植物对氨氧化和固氮作用及相关微生物的影响机制,有助于人们深入理解和改善湿地土壤的氮循环,并可为人工湿地挺水植物的选择提供了参考。相关成果发表在国际农林科学领域经典期刊《植物与土壤》(Plant and Soil) 上,方娇慧博士为论文第一作者。

土壤氨氧化菌和固氮菌是参与土壤氮素转化的两个重要微生物群。微生物氨氧化是硝化的第一步和限速步骤,由氨氧化菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)完成。微生物氨氧化结合反硝化作用,可去除相当比例(10-80%)的人为氮污染,降低湿地水体富营养化的风险。微生物固氮是含有编码固氮酶铁蛋白基因nifH一些细菌和古菌所特有的,是湿地生态系统氮输入的重要来源。湿地挺水植物根表面积大,是微生物附着的重要场所,并通过其特殊的结构(发达的通气组织等)将空气中的氧气输送到根际土壤中,提高了植物根际的溶解氧的浓度。同时植物可以通过光合作用将大气中的二氧化碳转化为有机物碳,通过根际分泌物的分泌和植物凋落物的分解,最终转化为附着在根系表面的微生物可利用的碳。因此,受根际泌氧及根际分泌物的影响根际微生物的活性和生物量通常高于非根际。

为了阐明湿地挺水植物根际对微生物氨氧化和固氮作用的影响机制,本研究选取山东齐河县的赵牛河人工湿地为研究区域,利用土壤培养控制实验、高通量测序和qPCR等技术系统研究了湿地生态系统土壤中的氨氧化菌和固氮菌的活性、群落结构、功能基因丰度对湿地挺水植物(芦苇、香蒲、旱伞草)在夏秋两季的响应,并测定了在植物和微生物之间相互作用密切的环境因子(根系分泌物以及土壤理化性质)来分析湿地氨氧化和固氮功能对挺水植物响应的主要影响因素。研究发现,微生物氨氧化和固氮速率在不同种类植物根际和不同季节间存在显著差异。随着温度的降低,氨氧化和固氮速率从夏季到秋季均呈下降趋势。与非根际土壤相比,氧气的释放和根系分泌物的分泌是促进根际土壤氨氧化和固氮速率升高的两个主要因素。其中,氨氧化和固氮速率的在根际的提升均受氧化还原电位的显著影响而糖类根系分泌物(蔗糖)对固氮速率也有显著影响。此外,固氮速率与固氮微生物的丰度密切相关,而氨氧化速率与AOA的活性呈线性相关,且主要由一个特定的AOA分类单元(Nitrosopumilus)决定。研究还发现芦苇根际土的氧化还原电位高于香蒲和旱伞草,同时在芦苇的根系培养液中检测出的大部分根际分泌物成分的浓度高于香蒲和旱伞草。因此,由于芦苇相对较强的根际泌氧和分泌根际分泌物的能力,当在人工湿地建设过程中种植挺水植物的选择时应被优先考虑。

总之,研究发现挺水植物通过改变根际微生物的群落结构和相关微生物的丰度,对微生物氨氧化和固氮速率表现出较强的促进作用,植物根际有效氧和有效碳的释放是改善氨氧化和固氮作用的具体机制。

 

论文网址见:https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-019-04249-w

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