砂质红壤剖面矿物风化细菌的分离筛选及其系统发育关系研究

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红壤是中亚热带生物气候旺盛的生物富集和脱硅富铁铝化风化过程相互作用的产物,由于缺乏碱金属和碱土金属而富含铁、铝氧化物,而使土壤呈酸性红色。微生物是地球的早期生命体,它们广泛分布于各种地质环境中,是地质生态系统的重要组成部分。微生物的活动在土壤矿物的风化、形成、土壤植物营养元素的活化以及土壤有害物质的降解中具有重要的作用。红壤作为中国铁铝土纲中位居最北、分布面积最广的土类,探究其细菌种群的多样性和细菌风化矿物的机理,不仅揭示了微生物多样性与土壤理化因子之间的关系,还为研究土壤微生物在土壤的形成、生物地球化学循环中的作用提供了理论依据。  本文选择江西发育自花岗岩的砂质红壤作为研究对象,对红壤跨越0-100 cm深度的不同土壤样品进行了X衍射(XRD)和理化性质的研究,结果显示不同深度土壤剖面的风化程度没有显著差异,但是部分理化性质却存在着明显的差异,例如有机质含量、酶活性、有效态元素Fe、Si、Mg和Ca等,这一现象充分反应了微生物在剖面土壤中的生存环境具有差异性。  采用传统的平板分离方法从上述的土壤剖面中共分离筛选到261株可培养细菌。选用摇瓶试验的方法研究了这些供试菌株在实验室条件下对黑云母的风化效果,结果表明所分离的细菌基本都具有矿物分解的能力,其中高效释放Fe元素的菌株主要集中在样品底层,相反,高效释放Si元素的菌株则主要分布在上层剖面中。另外,剖面底层和表层还聚集了许多高效释放Al和K元素的菌株。  选取两株具有较强风化能力的菌株(E2和F31)作为供试菌株,在摇瓶条件下进行溶解黑云母矿物的试验。试验结果表明,菌株E2的适应性比菌株F31好,生长的延滞期比菌株F31短。依据发酵液中元素的溶出情况、pH和有机酸的变化发现,酸可以促进矿物元素的溶出,测定的有机酸中以草酸和酒石酸对元素释放影响较大,且矿物中Fe元素和Al元素的溶出具有一定的正相关。  对供试的矿物风化细菌进行16S rDNA序列鉴定及系统发育学分析,结果表明这些矿物风化细菌共隶属于Actinobacteria,Bacteroidetes,Alphaproteobacteria,Betaproteobacteria,Gammaproteobacteria,Firmicutes六个菌群的19个菌属,分别为Burkholderia,Ralstonia, Bacillus,Cupriavidus,Lysinibacillus,Microbacterium,Myroides,Proteus,Paenibacillus,Cellulomomas,Curtobacterium,Leifsonia,Arthrobacter,Kocuria,Ochrobactrum,Enterobactrum,Providrobacter,Enhydrobacter,Pseudomonas,表现出较为丰富的物种多样性。其中该红壤剖面的主要优势菌群为Burkholderia和Bacillus,次优势菌群为Ralstonia、Cupriavidus、Curtobacterium和Microbacterium。典型相关性分析(CCA)表明,土壤环境中的有效态元素Fe、Mg、Ca、K、Si以及土壤湿度、pH、有机质和脲酶活性等都对土壤样品中可培养细菌的种群分布影响较大。
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