土壤生态系统稳定性是指生态系统对抗人为干扰、外界环境变化和保持系统平衡的能力,包含了抵抗力和回复力两个方面。土壤抵抗力和回复力是反映土壤生态系统脆弱性重要依据,也是反映土壤健康和质量的重要指标。在当今人类活动对土壤环境产生重大影响的情况下,全面理解抵抗力和回复力的主要影响因子对于解释生态系统稳定性的内在机制具有重要意义,同时也有助于人们更好地去应对土壤退化与污染等环境问题。可能影响土壤抵抗力和回复力的因素包括土壤质地(粘粒含量)、有机质、pH以及微生物多样性等。其中多样性是研究最多、最富争议的一个因素,土壤的理化性质目前除了土壤有机质以外,其他理化性质对于抵抗力和回复力的影响很少有研究报道。总体看来,目前对土壤抵抗力和回复力及其影响因素的研究尚不透彻,影响抵抗力和回复力的关键因素尚不清楚。本研究通过采集24种不同类型、理化性质和微生物多样性的土壤,施加铜胁迫,选取底物诱导呼吸强度这一指标来表征抵抗力和回复力,研究土壤的理化性质和微生物多样性对土壤抵抗力和回复力的影响,主要结果如下:对于铜胁迫下的土壤,其抵抗力和回复力的关键影响因素分别是土壤pH值和沙粒含量。土壤抵抗力(Rt)与土壤pH值的关系可用指数回归模型来描述,方程式为Rt=1.0673-1.1335e-0.2224pH;土壤回复力(Rl)与其沙粒含量(S)的关系可用多项式回归模型来表述,方程式为Rl =-3.1493S2+1.8114S+0.7116。土壤微生物群落多样性、丰度与土壤的抵抗力和回复力不存在显著相关关系。此外,影响土壤的抵抗力和回复力的关键因素可能随胁迫类型改变而改变,我们的研究结果可能只适用于重金属胁迫下这种情况。本研究中土壤回复力指土壤微生物功能的回复力,其检测选择在若干时间点进行,无法做到连续在线检测,不能对土壤回复力的变化过程进行完整的监测,也不能及时通过功能的异常变化指示土壤污染或胁迫事件的发生。本研究采用微生物燃料电池(MFCs)技术,将添加铜浓度从50mg kg-1至400 mg kg-1的受铜胁迫土壤作为MFCs的阳极池,通过监测土壤的产电电压实时连续来反映微生物功能的回复情况。主要结果如下:铜胁迫下土壤产电信号的回复特征与传统微生物功能指标底物诱导呼吸强度的回复特征一致,表明土壤电信号可能能够定性地表征土壤回复力。土壤MFCs启动时间、产电电量、峰值电压分别与铜浓度之间存在着显著相关关系(n=3,P<0.01),随着土壤铜浓度的增加,土壤MFCs启动时间显著增加,产电电量和峰值电压显著减少(P<0.01)。在受胁迫土壤回复过程中,土壤溶液中自由铜离子含量随时间延长持续降低,且铜胁迫土壤中抗铜基因copA基因数量占总细菌16S rRNA基因数量的比值均高于对照,这些都可以作为产电信号和土壤微生物功能回复的证据。另外,本研究从富集的MFCs阳极碳毡生物膜上分离得到产电纯菌株,通过形态学观察、生理生化特征实验及16SrRNA基因测序分析确定其种属,并将其接种MFCs中评价其产电性能、电化学活性。其主要结果如下:(1)从铜浓度为100mg kg-1双室MFCs阳极碳毡生物膜上分离得到2株耐受铜、具有铁还原能力、杆状、革兰氏阳性产电菌R3、R6,经鉴定确定菌株R3和R6属于梭菌属(Clostriduum),其中菌株R6确认为生孢梭菌(Clostridium sporogenes)。菌株R3和R6最适pH值均为7.0,最佳生长温度均为30℃,在NaCl质量分数为0.3%～1.5%的环境中增殖良好。(2)菌株R3和R6接种到MFCs中可以获得的最大功率密度分别为96.3 mW m-2、97.6mW m-2。应用循环伏安测试的电化学分析表明两株菌都具有电化学活性,且都只有直接胞外电子传递能力。两株产电菌能够利用单糖、多糖等为碳源生长,但是底物种类对产电性能存在显著差异(n=3,P<0.05),其中以LB培养基为底物运行的MFCs产生的电流密度最大。菌株R3、R6对铜的耐受浓度为25mgkg-1,当铜浓度超过25mgkg-1,菌株R3、R6的产电电压均下降到50mV以下。