生物炭和堆肥对重金属污染土壤中碱性磷酸酶活性及phoD基因群落特征的影响

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为了了解重金属污染土壤中解磷菌的解磷机理,丰富对碱性磷酸酶(ALP)和pho D编码基因的功能微生物群落的研究,研究环境因子对土壤中解磷微生物多样性的影响,本实验以重金属污染土壤为研究对象,按对照,添加生物炭,添加堆肥和同时添加生物炭和堆肥进行分组进行了室内盆栽实验,并在0-80天进行了采样,采用Hedley磷素分级方法对0-20cm的土样的磷进行分级处理,并采用酶联免疫吸附法测定ALP活性。运用定量PCR技术和高通量测序技术对pho D基因的微生物丰度和结构进行评价。探究生物炭和堆肥处理对重金属污染土壤中磷素形态的影响和对pho D编码基因的功能微生物群落微生物丰度和结构的影响,有助于为重金属污染土壤中添加生物炭和堆肥对磷循环的调控提供新的视角。研究结果主要如下:1)生物炭和堆肥的添加对土壤的理化性质有显著影响。生物炭和堆肥的添加,显著提升了p H、有机质(OM)、有机碳(TOC)、有效磷(AP)和总磷(TP)。堆肥对于OM,TOC,AP和TP的提升效果更好,生物炭对于土壤p H提升较明显。堆肥显著促进了土壤AP的利用效率(P<0.05),且OM跟AP呈现出显著正相关关系(P<0.01)。2)生物炭和堆肥的添加会对ALP活性产生影响。随着时间的推移,堆肥添加处理的ALP丰度显著提高,单独添加生物炭对ALP有抑制作用,而生物炭和堆肥混合添加的对ALP的提升效果更好。土壤ALP的丰度和EC显著正相关关系(P<0.01)。ALP与AP含量相关性不显著,这可能是由于生物炭材料的吸附性和含有的重金属影响了ALP酶的催化,AP的产生也抑制了ALP酶的分泌。3)生物炭和堆肥的添加会对pho D基因丰度和组成产生影响。结果表明,pho D基因丰度存在先升高后降低的趋势,且pho D基因丰度与AP、电导率(EC)和ALP显著相关(P<0.05),且存在先升高后降低的趋势。在门分类水平上的pho D基因的优势菌群为放线菌门(Actinobacteria),变形菌门(Proteobacteria)和蓝藻菌门(Cyanobacteria)组成,并且变形菌门在各处理中都占据绝对优势。从科分类水平看,优势菌群为交替单胞菌科(Alteromonadaceae),慢生根瘤菌科(Bradyrhizobiaceae),伯克氏菌科(Burkholderiaceae),丛毛单胞菌科(Comamonadaceae),甲基杆菌科(Methylobacteriaceae),叶杆菌科(Phyllobacteriaceae),假单胞菌科(Pseudomonadaceae),根瘤菌科(Rhizobiaceae)和黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)。低磷条件会对土壤中的pho D稀有类群通过增加一些可溶性的有机碳和提高磷响应的速率来应对磷的胁迫,或是由于磷的胁迫从而提高磷响应的速率。在堆肥、堆肥-生物炭联合添加条件下,pho D基因物种群落结构发生了明显变化,多样性随着时间变化逐渐降低。冗余分析(RDA)分析表明,EC和土壤中pho D的表达显著相关(P<0.05),并会对pho D编码微生物的群落结构产生改变。
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