重金属污染土壤的微生物代谢特征及其环境效应

论文编号lybs0000215597

论文标题重金属污染土壤的微生物代谢特征及其环境效应

论文作者 王香香

指导导师 方临川

授予时间2022

授予年份2022

学位级别硕士

学科专业 资源环境生物学

主题词 酶化学计量 微生物代谢熵 碳利用效率 土壤碳循环 微生物评价指标

授予单位西北农林科技大学

摘要  重金属污染由于其长期性和普遍性,已成为土壤健康的重大威胁。土壤微生物是土壤生态系统中的重要组成部分,驱动土壤养分循环。土壤微生物代谢参与土壤养分循环,影响土壤碳(C)库的变化。然而,土壤中微生物代谢变化和C利用模式对重金属污染的响应尚不明确。基于此,本研究进行了为期80天的重金属添加(Pb、Cd和Pb+Cd)模拟实验,结合土壤化学性质、土壤胞外酶活性、微生物生物量等指标,通过胞外酶化学计量学方法探究重金属污染下的微生物代谢特征,并探讨其与微生物代谢熵(q CO_2)和碳利用效率(CUE)的关系。此外,根据微生物代谢限制的特征来评价重金属污染程度。本研究为更好地理解重金属胁迫在农业生态系统微生物代谢驱动下的土壤C周转中的作用机制提供了重要的理论依据,也提出了土壤重金属污染的新型微生物评价指标,为土壤重金属污染评价提供了新的方法及思路。主要研究结果如下:(1)随着重金属浓度的增加,微生物C限制增强,微生物磷(P)限制降低。微生物C限制的增加主要是由于重金属胁迫下微生物消耗更多的C源缓解重金属毒性,以此来维持自身的生存。微生物P限制的降低可能有三个原因,由于重金属的毒性抑制了微生物的生长和增殖从而降低了P代谢,p H的降低有利于溶解封闭磷,此外,C、P限制之间的耦合关系,微生物C限制的增加加速了土壤有机质的分解,为微生物提供了有效养分来缓解P限制。(2)微生物C限制介导了q CO_2的增加和CUE的降低。回归分析表明微生物C限制与q CO_2、CUE有显著的相关性。这是由于微生物C限制调节了微生物对C的利用策略,增加了微生物呼吸从而释放出更多的CO_2,同时也降低了微生物生物量的合成速率,使得更多的能量与碳源用于维持呼吸而不是有机物质的合成。(3)微生物代谢限制通过调控q CO_2和CUE最终决定土壤C的释放。结构方程建模揭示了在重金属胁迫下微生物代谢限制变化是驱动土壤养分循环和土壤C流失的关键。(4)微生物代谢限制,尤其是C限制,可以作为评价土壤重金属污染一个新的指标。在重金属污染下微生物C限制是随着重金属浓度的增加而显著的增加。此外,重金属浓度与微生物C限制的回归模型显著。因此,微生物代谢限制可以用于评价土壤重金属污染。