土壤微生物群落对三种不同类型农用化学品污染胁迫响应的研究

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土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分之一,对土壤的形成发育、物质循环和肥力演变等均具有重大影响。农用化学品的过度使用所造成的污染势必会影响到土壤微生物群落,因此研究土壤微生物群落在农用化学品污染下的变化对于防治污染,改良土壤和提高农作物产量等均具有重要意义。本文从微生物生物量、基于Biolog GN和GP微平板的群落水平生理活性分析(community level physiological profiles,CLPP)、土壤活体微生物的磷脂脂肪酸分析(phospholipid fatty acids,PLFA)和基于16S rDNA分子标记的凝胶梯度电泳分析(16S rDNA denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)四个方面分析了三种常用的农用化学品(草甘膦、硫酸铜和甲胺磷)施用半年后对土壤微生物群落的影响。实验处理包括对照(CK)、正常浓度草甘膦处理(CGL1)、高浓度草甘膦处理(CGL10)、正常浓度硫酸铜处理(Cu1)、高浓度硫酸铜处理(Cu10)、正常浓度甲胺磷处理(JAL1)和高浓度甲胺磷处理(JAL10)。  研究结果表明,草甘膦和硫酸铜处理对土壤微生物碳有显著影响,而甲胺磷处理则无显著影响。其中,高浓度草甘膦和硫酸铜处理显著降低了土壤微生物群落的微生物生物量,分别比对照减少了45.3%和16.7%。高浓度草甘膦和甲胺磷处理使土壤中磷元素的含量分别显著提高了118.4%和106.1%,正常浓度处理则无影响。正常浓度和高浓度硫酸铜处理分别显著提高了土壤中铜元素含量118.2%和1627.3%。  PLFA分析结果表明草甘膦、硫酸铜和甲胺磷处理改变了土壤微生物群落的结构和组成。真菌在三种农用化学品的胁迫下受到显著抑制,与对照相比真菌的PLFA含量分别显著下降了30.5%、57.6%和50.8%,而细菌群落则对胁迫产生抗性。其中高浓度草甘膦处理抑制了标志性PLFA为a15:0的G+菌,而甲胺磷处理则使标志性PLFA为17:0和cy19:0的G-菌受到促进;硫酸铜处理则使土壤微生物总PLFA和G+菌PLFA显著下降22.6%和27.3%,同时G-菌的PLFA18∶1ω9t被抑制,而18∶1ω9c则被促进。这说明土壤微生物对草甘膦、硫酸铜和甲胺磷胁迫的反应是不同的。三种农用化学品处理土壤中的真菌和细菌的PLFA含量的比值显著低于对照,表明处理改变了土壤微生物群落的结构。  Biolog GN和GP研究结果表明,G-的吸光度变化平均值(Average well color development,AWCD值)要显著高于G+菌的AWCD值,这说明G-菌在土壤中占据优势,或者G-菌在这三种农用化学品胁迫下生理代谢更旺盛。草甘膦和硫酸铜处理分别提高了G-菌和G+菌的AWCD值,而甲胺磷处理则无影响,这说明G-菌和G+菌通过提高生理代谢活性以缓解来自草甘膦和硫酸铜的胁迫;结合PLFA结果中甲胺磷处理中能出现新的G-菌种群,我们推测某些弱势G-微生物在甲胺磷的刺激下显著生长,这些微生物可能能利用甲胺磷。  三种农用化学品处理显著影响了土壤微生物群落的遗传多样性。16S rDNADGGE分析结果表明,高浓度草甘膦、硫酸铜和甲胺磷处理显著降低了土壤细菌群落的多样性,而正常浓度处理中只有草甘膦对细菌群落无显著影响。通过对DGGE条带的测序我们发现这三种农用化学品的处理均使土壤微生物群落产生了抗性菌,其中在草甘膦和硫酸铜处理产生的抗性菌中G-占优势,而在甲胺磷处理产生的抗性菌中则是G-和G+菌并列。在草甘膦处理下产生的抗性G-菌有Ralstonia sp.,Gamma proteobacterium,Burkholderia sp.和Devosia sp.,在硫酸铜处理下产生的抗性G-菌有Actinobacterium,Pseudomonas,Proteobacterium,Acidobacteria和Burkholderia,在甲胺磷处理后产生的抗性菌有Thiomonas sp.和Pseudaminobacter。  综合以上分析结果表明,草甘膦处理使土壤中微生物群落多样性降低,使G-菌占据了主导地位,削弱了G+菌和真菌,这导致了土壤微生物的生物量显著降低,G-菌通过降解草甘膦和增加呼吸速率来缓解草甘膦的胁迫。硫酸铜处理虽然使G-菌占据了主导地位,但是却削弱了土壤微生物群落总体,特别是G+菌和真菌,土壤微生物群落通过增加呼吸速率和产生抗性菌来减轻硫酸铜的胁迫。与草甘膦和硫酸铜不同的是,甲胺磷处理没有刺激土壤微生物的呼吸速率,土壤微生物群落是通过产生能降解甲胺磷的降解菌来消除甲胺磷的胁迫。
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