【摘要】：氮循環(huán)與農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境息息相關,人類通過對農業(yè)土壤施入氮肥來增加作物產量,但與此同時,氮肥的流失又破壞了氮原有的平衡,進而導致全球的環(huán)境問題。大量研究表明自然界的氮循環(huán)主要是由微生物介導的。固氮微生物將大氣中的氮還原成氨的過程稱為固氮作用,固氮微生物廣泛存在于自然界,可以分為自生固氮微生物、共生固氮微生物和聯合固氮微生物。硝化反應直接利用銨態(tài)氮(NH_4~+)作為底物,是氮循環(huán)的中心環(huán)節(jié),是細菌和古菌共同參與的生物過程,由兩類共生微生物(氨氧化微生物和亞硝酸鹽氧化微生物)介導。水稻和玉米是重要的糧食作物,也是具有獨特性質的農田生態(tài)系統(tǒng)。根際在農田生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色,是土壤介質、植物和微生物交互作用的微界面,也是物質和能量交換的區(qū)域,更是土壤微生物最活躍的地帶。玉米根際環(huán)境有利于聯合固氮菌的生長,固氮菌Pseudomonas stutzeri A1501最初分離自水稻根際,屬于植物根際促生細菌(PGPR),但是在玉米根際的定殖及固氮能力還未知。因此我們首次在溫室條件下將該固氮菌接種到玉米根際,結合水培條件和掃描電子顯微鏡觀察其在根部的定殖效率,并利用15N同位素稀釋方法定量玉米體內通過生物固氮途徑來源氮的百分含量。另一方面,盡管PGPR接種對植物具有促生效應,但是接種對土壤及根際微生物群落影響的研究報道甚少,其中的微生物機理也存在疑問。水分是玉米生長的限制性因子,干旱條件下玉米根際微生物群落及活性的響應也是研究的熱點。因此我們通過玉米盆栽的方式考察不同水分管理措施下接種固氮菌P. stutzeri A1501對玉米根際微生物群落及活性的影響。水稻土不同的物理化學特性使一系列氧化還原過程在根際反復循環(huán)發(fā)生。早期的研究大多集中于對水稻土中硝化微生物(主要是氨氧化微生物)的群落多樣性,以及環(huán)境因子對硝化活性的影響等問題上,未從微生物的生理生態(tài)尤其是數量及活性變化的水平上來闡述。本文以我國典型的水稻土作為研究材料,通過培養(yǎng)實驗研究氧氣濃度對水稻土根際硝化作用及相關微生物群落和活性的影響,為深入了解氮循環(huán)關鍵微生物的作用機理和提高氮肥利用效率提供理論依據。主要研究結果如下：首先,通過掃描電鏡觀察結合平板計數,發(fā)現其能在玉米根際定殖；利用15N同位素稀釋技術測定干旱和水分充足條件下接種固氮菌P. stutzeri A1501對玉米生物固氮的貢獻率分別為20.1%和31.6%,對應的固氮量分別為0.28和0.81克氮每株玉米。相當于減少農田實際施肥量分別是14%(干旱條件下)和40%(正常水分條件下),具有潛在的部分替代化肥的作用。第二,通過考察不同水分條件下和固氮菌P. stutzeri A1501接種對玉米根際微生物氮循環(huán)關鍵功能微生物群落結構、種群數量和轉錄活性的影響,結果表明不同玉米土壤區(qū)域的細菌和古菌數量均表現不同,固氮菌更多地存在于根際土中,而氨氧化細菌和氨氧化古菌在表層土中數量更高；同時不同玉米土壤區(qū)域的固氮菌轉錄活性、氨氧化細菌和古菌的轉錄活性均表現不同,且氨氧化古菌和氨氧化細菌的轉錄活性要大于固氮菌轉錄活性；不同玉米土壤區(qū)域的細菌和固氮菌群落多樣性也表現出差異,表明不同土壤區(qū)域(生態(tài)位)是影響土壤微生物及氮循環(huán)關鍵功能微生物最主要的因素。水分管理措施顯著影響了玉米的生長,水分充足時玉米生長量更高,但是不同水分處理未影響土壤和根際的微生物群落結構；然而水分管理措施影響了根際土中細菌和古菌的數量,同時對固氮菌、氨氧化細菌和古菌的轉錄拷貝數都有顯著影響。固氮菌P. stutzeri A1501接種影響了根際土中固氮菌的轉錄拷貝量,同時對根際土中細菌及固氮菌群落結構也有顯著影響；但是固氮菌P. stutzeri A1501接種對細菌和古菌群體數量的影響不顯著。最后,利用水稻土壤和根系樣品進行培養(yǎng)實驗,設立不同氧氣濃度,結果表明低氧氣濃度顯著降低了土壤的硝化反應速率。在土壤中,高濃度氧氣濃度下氨氧化細菌的數量和轉錄活性都顯著高于低氧氣濃度,表現為其數量的上升和轉錄活性的增加,而氨氧化古菌可能在低氧氣濃度下仍然表現出活性。氧氣濃度同樣影響了Nitrospira屬和Nitrobacter屬亞硝酸鹽氧化細菌的數量,以及Nitrobacter屬亞硝酸鹽氧化細菌的轉錄活性。相關性分析表明氧氣充足時,培養(yǎng)過程中硝化速率的變化和氨氧化細菌及Nitrobacter屬亞硝酸鹽氧化細菌轉錄活性的變化有很高的相關性,而在低氧氣濃度下,相關性變得不顯著。
【學位授予單位】：中國農業(yè)科學院
【學位級別】：博士后
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S154.3
【圖文】：

３．３．３固氮菌在玉米根際的定殖效率逡逑通過接種固氮菌和對照的比對發(fā)現經過平板檢測在±巧介質中接種固氮菌ｆ邋ＷＷｚｅＷ邋Ａ１５０１逡逑盈著提商了該菌在第６０天時玉米根脈的數量（圖３．２）。在營養(yǎng)液介質中的結果也表明在第１０天逡逑和２０天時接種處理的玉米根際上的ｆ邋Ｓ化億的Ａ１５０１數量都要顯著高于對照（圖３．３Ａ和１３Ｂ）。逡逑電鏡結果可見微生物定殖在玉米根部表面的數量要明晶多于對照。疑似Ｓ化ｆｃｅＷ邋Ａ１５０１的菌株逡逑呈桿狀，長約２邋ｎｍ．菌體表面呈凹田不平狀，在根系多處發(fā)現類似生物膜包被的菌體聚合（圖逡逑３．３Ｃ）。逡逑１９逡逑

邐０２逡逑ｉ邋仁邐ｔｅｉｎ逡逑圖３．３玉米水墻條件下接種固氮菌尸．ＷＷｗ／７’Ａ１５０１后通過平板計數法估算玉米根際微生物的數量。逡逑Ｆｉｇ邋３．３邋Ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｆｉｘｉｎｇ邋ｂａｃｔｅｒｉｕｍ邋Ｐ．邋ｓｔｕｔｚｅｒｉ邋Ａ１５０１邋ａｄｈｅｒｅ邋ｔｏ邋ｒｏｏｔ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ邋Ｈｏａｇｌａｎｄ＇ｓ邋ｎｕｔｒｉｅｎｔ逡逑ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｃｕｌｔｕｒｅ邋ｍｅｄｉｕｍ．逡逑Ａ．邋Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ａｘｅｎｉｃ邋ｍａｉｚｅ邋ｐｌａｎｔｓ邋ｕｓｅｄ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｂａｃｔｅｒｉａｌ邋ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ．邋ＮＳＣＭ－ｃｏｎｔｒｏＩ，邋ｎｏ逡逑Ａ１５０Ｈｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ邋ｎｕｔｒｉｅｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｃｕｌｔｕｒｅ邋ｍｅｄｉｕｍ；ＮＳＣＭ＋Ａ１５０１，ｗ他邋Ａ１５０１邋ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ逡逑ｎｕｔｒｉｅｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｃｕｌｔｕｒｅ邋ｍｅｄｉｕｍ．逡逑２１逡逑

邐ＷＷ逡逑Ｄａｙ邋６０逡逑圖３．２邋±壤介質中接種固氮菌尸．加妃ｅ／７’ＡＩ５０ｌ后通過平扳計數法估算玉米根際微生物的數量。逡逑Ｆｉｇ邋３．２邋Ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎｉ任ｏｇｅｎ－ｆｉｘｉｎｇ邋ｂａｃ化ｒｉｕｍ邋尸？邋５化垃ｅ／＊＇．邋Ａ１５０Ｉ邋ａｄｈｅｒｅ邋化邋ｒｏｏｔ邋ｉｎ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ邋ｓｏＨ邋ｍａｔｒｉｘ．邋Ｔｈｅ逡逑ａｍｏｕｎｔ邋ｏｆ邋ｂａｃｔｅｒｉａ邋ｉｎ邋ｒｏｏｔ邋ｓａｍｐｌｅｓ邋ｗａｓ邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ邋ｂｙ邋ｐｌａｔｉｎｇ邋ｃｏｕｎｔｉｎｇ邋ｍｅｔｈｏｄ．邋Ｔｈｅ邋ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｗａｓ邋ｃａｒｒｉｅｄ邋ｏｕｔ逡逑ｗｉ化邋Ｓ化ｄｅｎｔ’ｓ邋（＊＊Ｐ＜０．０１）．邋Ａｌｌ邋ｖａｌｕｅｓ邋ａｒｅ邋ｍｅａｎ邋±邋ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ邋（ｎ二３）．邋Ｃｏｎｔｒｏｌ，邋ｗｉｔｈｏｕｔ邋ＡＩ５０Ｈｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ；逡逑＋Ａ１５０１．邋ｗｉｔｈ邋Ａ１５０１邋ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ．逡逑Ｍｌ］邐Ｋ逡逑ｌｙ邐ＷｍＭＷＷＭ逡逑化邋ＣＭ＞ｃｏｎｔｒｏｌ邐ＮＳＣ邋…Ａ１５０１逡逑Ｂ邋ｓ＂

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 馬春;陽廣鳳;金仁村;俞津津;;新型生物脫氮工藝-反硝化氨氧化[J];科技通報;2012年03期

2 李曉蕓,鄭穹,喻鵬,黃馳;2-氟-6-氯甲苯氨氧化法制備2-氟-6-氯苯腈初探[J];武漢大學學報(理學版);2003年02期

3 謝光勇,鄭穹,黃馳,韓其勇,陳遠蔭;對甲氧基甲苯氨氧化反應研究[J];武漢大學學報(理學版);2001年06期

4 鄭穹,謝光勇,黃馳,許崇文,陳遠蔭;氨氧化合成大茴香腈研究[J];廈門大學學報(自然科學版);1999年S1期

5 崔文采;談談自然土壤和農業(yè)土壤[J];土壤通報;1959年02期

6 蔡立梅;馬瑾;周永章;黃蘭椿;竇磊;張澄博;;珠江三角洲典型區(qū)農業(yè)土壤鎳的空間結構及分布特征[J];中山大學學報(自然科學版);2008年04期

7 韓風;;自然土壤與農業(yè)土壤[J];農業(yè)科學實驗;1982年11期

8 孟憲璽,佘中盛,劉桂琴,康淑蓮,俞穆清,汪淑哲,王起超,齊少華;東北地區(qū)中部主要農業(yè)土壤中若干金屬元素的背景值[J];生態(tài)學報;1985年02期

9 張冬冬;;全球變暖少不了你家院子[J];科學新聞;2013年05期

10 王凱榮;崔明明;史衍璽;;農業(yè)土壤中鄰苯二甲酸酯污染研究進展[J];應用生態(tài)學報;2013年09期

相關會議論文 前8條

1 沙圣德;喬琳;王利英;夏勉;;一株異氧硝化細菌KT-B011的分離及其氨氧化特性的研究[A];第十次全國環(huán)境微生物學術研討會論文摘要集[C];2007年

2 楊斌;姜家樂;黃新漢;宋衛(wèi)林;;催化劑粒徑對丙烯氨氧化反應的影響[A];中國化工學會2003年石油化工學術年會論文集[C];2003年

3 馬名揚;張朝陽;畢鴻亮;李幼菊;盧普相;;珠三角部分地區(qū)農業(yè)土壤中砷的形態(tài)及含量分布[A];廣東省土壤學會第九次會員代表大會暨學術交流年會論文集[C];2006年

4 鄧蕓蕓;賈麗娟;李康;殷浩文;;上海市垃圾焚燒廠周邊農業(yè)土壤中二VA英分布研究[A];中國毒理學會環(huán)境與生態(tài)毒理學專業(yè)委員會第二屆學術研討會暨中國環(huán)境科學學會環(huán)境標準與基準專業(yè)委員會2011年學術研討會會議論文集[C];2011年

5 楊國義;張?zhí)毂?郭治興;萬洪富;羅薇;高原雪;;珠江三角洲典型區(qū)域農業(yè)土壤中多環(huán)芳烴的含量分布特征及其污染來源[A];廣東省土壤學會第九次會員代表大會暨學術交流年會論文集[C];2006年

6 馮煥銀;傅曉欽;張倩;樊穎果;;寧波市郊農業(yè)土壤中持久性毒害污染物的殘留現狀及健康風險評估[A];2013中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（第四卷）[C];2013年

7 楊國義;張?zhí)毂?萬洪富;羅薇;高原雪;;廣東省典型區(qū)域農業(yè)土壤中重金屬污染空間差異及原因分析[A];廣東省土壤學會第九次會員代表大會暨學術交流年會論文集[C];2006年

8 徐夢俠;李申杰;楊炳建;錢飛中;高占國;朱麗波;應紅梅;徐能斌;翁燕波;;寧波市農業(yè)土壤中持久性有機氯農藥殘留規(guī)律研究[A];持久性有機污染物論壇2010暨第五屆持久性有機污染物全國學術研討會論文集[C];2010年

相關重要報紙文章 前4條

1 記者 孫宇浩 段金平;大興農業(yè)地質調查啟動[N];中國礦業(yè)報;2006年

2 鐘燕平;盡快開展農業(yè)土壤污染研究[N];農民日報;2006年

3 ;治理農業(yè)土壤面源污染刻不容緩[N];河北日報;2013年

4 本報記者 趙紅梅;農業(yè)土壤面源污染治理刻不容緩[N];河北日報;2013年

相關博士學位論文 前2條

1 柯秀彬;農業(yè)土壤中氮素轉化關鍵微生物群落及功能[D];中國農業(yè)科學院;2016年

2 王麗華;酸性礦山廢水區(qū)域嗜酸菌分子生態(tài)學研究[D];中國地質大學(北京);2014年

相關碩士學位論文 前10條

1 邱金鋒;竹漿堿回收苛化工藝與白泥粒度、苛化率的相關性研究[D];陜西科技大學;2015年

2 徐偉;以天然硅藻土為原料的高純二氧化硅制備以及純度表征[D];太原理工大學;2016年

3 周濤;一種氨氧化反應余熱回收爐工藝及設備結構研究[D];天華化工機械及自動化研究設計院有限公司;2016年

4 趙紅;無機鈦硅原料TS-1催化環(huán)已酮氨氧化制備環(huán)已酮肟[D];湘潭大學;2002年

5 吳夢佳;干膠轉化法合成TS-1分子篩及對丁酮氨氧化反應的催化性能[D];華東理工大學;2014年

6 郝迪;貴嶼農業(yè)土壤及盆栽土-植物系統(tǒng)中PBDEs污染特征及暴露風險評估[D];暨南大學;2015年

7 鄧琳靜;重金屬脅迫下農業(yè)土壤根際微生物的群落結構和多樣性的變化[D];湖南大學;2016年

8 吉玉碧;貴州省農業(yè)土壤中鎘的污染現狀與分析研究[D];貴州大學;2006年

9 梁靜;鈦硅分子篩催化環(huán)己烷液相氨氧化的研究[D];湖南師范大學;2011年

10 許華杰;遵義縣農業(yè)土壤和蔬菜中鎘含量關系的分析與研究[D];貴州大學;2008年

本文編號：2774477