2021-08-08 12:08:03

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土壤微生物是土壤中一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称,严格意义上应包括细菌古菌真菌、病毒、原生动物和显微藻类。其个体微小,一般以微米或毫微米来计算,通常1克土壤中有几亿到几百亿个,其种类和数量随成土环境及其土层深度的不同而变化。它们在土壤中进行氧化硝化氨化固氮硫化等过程,促进土壤有机质的分解和养分的转化。

据"酶锁理论",土壤微生物可作碳"捕集器",以减少大气中的温室气体。但2021年7月发表在《自然-通讯》的实验结果表明土壤微生物也"吃"多酚,可能会释放二氧化碳,这些实验结果与"酶锁理论"背道而驰。

基本信息

  • 中文名称

    土壤微生物

  • 外文名称

    soil microorganism

折叠 编辑本段 词条解释

词目:土壤微生物

英文:soil microorganism

学科:土壤学

释文:生活在土壤中的细菌、真菌、放线菌藻类的总称。其个体微小,一般以微米或毫微米来计算,通常1克土壤中有10~10个,其种类和数量随成土环境及其土层深度的不同而变化。它们在土壤中进行氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等过程,促进土壤有机质的分解和养分的转化。土壤微生物一般以细菌数量最多,有益的细菌有固氮菌、硝化细菌和腐生细菌;有害的细菌有反硝化细菌等。施用有机肥有益于微生物的生长和繁殖。

折叠 编辑本段 特点与作用

折叠 多样性

由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件,所以成了微生物生活的良好环境。可以说,土壤是微生物的"天然培养基",也是它们的"大本营",对人类来说,则是最丰富的菌种资源库。

尽管土壤的类型众多,其中各种微生物的含量变化很大,但一般来说,在每克耕作层土壤中,各种微生物含量之比大体有一个10倍系列的递减规律:

细菌(~10)>放线菌(~10,孢子)>霉菌(~10,孢子)>酵母菌(~10)>藻类(~10)>原生动物(~10)

由此可知,土壤中所含的微生物数量很大,尤以细菌居多。据估计,在每亩耕作层土壤中,约有霉菌150kg,细菌75kg,原生动物15kg,藻类7.5kg,酵母菌7.5kg。通过这些微生物旺盛的代谢活动,可明显改善土壤的物理结构和提高它的肥力。

土壤微生物功能多样性:指土壤生态系统中微生物的物种丰富度和均一度,主要从分类学、系统学和生物地理学角度对一定地域内物种的现状进行研究。主要通过培养基最大限度地培养各种菌落,由此了解土壤中可培养的微生物种群。

土壤微生物的功能多样性:指土壤微生物群落所能执行的功能范围以及这些功能的执行过程,对自然界元素循环具有重要意义如:分解功能、营养传递功能以及促进或抑制植物生长的功能等。

一般采用底物诱导下的代谢响应模式测算土壤微生物群落的代谢功能多样性。

土壤微生物结构多样性:指土壤微生物群落在细胞结构组分上的多样化程度,这是导致微生物代谢方式和生理功能多样化的直接原因。

土壤微生物的遗传多样性:是土壤微生物在基因水平上携带的各类遗传物质和遗传信息的总和,这是微生物多样性的本质和最终反映。

折叠 "吃"多酚

2021年7月,美国科罗拉多州立大学土壤与作物科学副教授Kelly Wrighton领导的团队,以土壤与作物科学博士Bridget McGivern为第一作者、发表在《自然-通讯》的论文中提出了一个最新理论,即在土壤--很像人类的肠道中,多酚可以成为生活在那里的微生物的食物来源。研究结果可能推翻一个长期以来的理论--"酶锁理论",即在某些条件下,土壤微生物无法获取多酚,因此可以被用作碳"捕集器",以减少大气中的温室气体。团队研究人员在实验室对土壤样本进行了高分辨率化学分析和精确监测。结果证明,在无氧条件下,土壤中的微生物确实能分解多酚类物质,可能会释放二氧化碳,即实验结果表明土壤微生物也"吃"多酚,这些实验结果与长期存在的"酶锁理论"背道而驰。该研究打开了进一步研究多酚代谢及其如何适应自然碳循环的大门。

折叠 编辑本段 过程

土壤微生物是土壤中物质转化的动力:如;固氮作用,硝化作用、反硝化作用、腐殖质的分解和合成,土壤酶与微生物细胞一起推动物质转化。

全球变暖、森林锐减、土壤退化都与微生物有关。

折叠 编辑本段 研究进程

1676年,虎克用自制的单式显微镜观察到细菌个体。

1897年,毕希纳用无细胞酵母菌压榨汁中的"酒花酶"对葡萄糖进行乙醇发酵成功,从而开创了微生物生化研究的新时代。

1953年,沃森和克里克发表了关于DNA双螺旋模型,整个生命科学领域进入分子生物学研究阶段,是微生物学发展史上成熟到来的标志。

折叠 编辑本段 研究方法进展

土壤微生物研究方法经历了微生物纯培养、土壤酶活性(BIOLOG微平板分析)、微生物库(如微生物生物量)和流(C和N循环)、微生物生物标记物(FAMEs)、微生物分子生物学技术(从土壤中提取DNA,进行PCR-DGGE、PCR-SSCP、RLFP分析等),揭示了土壤微生物群落丰富的多样性和生态功能;现代生物技术和传统微生物研究方法的配合将为土壤微生物学研究提供较好的前景。

折叠 编辑本段 分离与计数

稀释平板法

用已知质量的土壤在适量的溶液中搅拌的时候,微生物和土壤分离,这些分开的微生物细胞在营养琼脂平板上生长成为分散的菌落,根据菌落数换算得单位重量土壤中微生物的数量。土壤中微生物的数量很多,因此必须取少量样品制成土壤悬液,然后稀释,使发育在培养皿中的菌落可以很好地分散开。

最大或然数法(MPN稀释法)

用于一些特殊功能菌的计数,如,硝化细菌和反硝化细菌。

假设被测定的微生物在稀释液中均匀分布,并在试管中全部存活,随着稀释倍数的加大,稀释液中微生物的数量将越来越少,直到将某一稀释度的土壤稀释液接种到培养基上培养后,没有或很少出现微生物,根据没有出现细菌的最低稀释度和出现菌落的最高稀释度计算土壤中微生物的数量。

折叠 编辑本段 新方法

折叠 微生物纯培养

传统的土壤生态系统中微生物群落多样性及结构分析大多是将微生物进行分离培养,然后通过一般的生物化学性状,或者特定的表现型来分析,局限于从固体培养基上分离微生物。随着人们对土壤中微生物的原位生存状态研究,越来越发现常规的分离培养方法很难全面地估价微生物群落多样性。

从土壤中简单提取和平板培养计数不能得到土壤微生物在土壤生态系统中的生活特征和生态功能的信息。纯培养方法和原理大多从医药微生物引过来的,有些方法对土壤微生物研究并不很适合,譬如在自然土壤生态环境下许多土壤微生物处于贫营养,而在实验室用营养丰富的牛肉汁蛋白胨来测定土壤活细菌的总数,大量的贫营养微生物不适宜生长,测定结果误差大;一般实验室在分离培养土壤细菌时通常只是在28℃下培养。尽管土壤中存在高温型细菌,但土壤中的低温型细菌则被忽视了。由于传统的平板培养方法只能反映极少数微生物的信息,这些研究不能充分了解土壤微生物生态功能,也埋没了大量有很大应用价值的微生物资源。

折叠 土壤酶

用生物化学技术能快速地检测土壤酶活性,使土壤酶学研究在60年代后期至80年代比较热门,其中尿酶、磷酸酶、脱氢酶在土壤中的含量和变化规律研究较多。但土壤酶测定方法用于土壤微生物研究的一个致命弱点是不能直接的反映土壤实际微生物状况。Visser等对酶检测用于土壤微生物群落和土壤质量评价提出了怀疑。Skujins(1978)认为脱氢酶本身的生物化学特征决定了它不可能以胞外酶状态存在于土壤中。为了解决土壤酶测定中的评判问题,Beck(1984)提出了土壤微生物如微生物量(microbialbiomass)、还原酶(reductase)、水解酶(hydrolase)的适宜指标,然而,这些指标从来没有被广泛采用。Beck(1984)和Trasar-Cepedaetal.(1998)认为把酶用于土壤质量评价指标是值得怀疑的,而且缺乏常规可行的酶测定手段,存在药品昂贵等问题[7,8]。

Community-levelphysiologicalprofiling(CLPP)是由GarlandandMills(1991)提出的另一种酶分析方法,微生物群落降解95种不同单一碳源的能力可一次分析,其中BIOLOGGN微平板较多应用于研究土壤和环境微生物区系。作者采用BIOLOGGN微平板培养分析施用生态有机肥对土壤微生物多样性和番茄青枯病的影响,结果表明,连作地施用生态有机肥后,番茄青枯病显著降低,土壤微生物多样性显著提高。

由于真菌、放线菌的代谢反应不能分解四氮叠茂,此方法只能检测微生物群落细菌(主要是革兰氏阴性菌)中快速生长的那部分微生物信息。不同的微生物对同一碳源的利用能力是有差异的,微生物对不同单一碳源的代谢指纹差异并不能简单地归纳为微生物群落数量和结构的差异,而且土壤微生物在BIOLOG系统中生长时,由于温育环境的改变引起微生物对碳底物实际利用能力的改变,同时在温育过程中存在适应性问题如代谢补偿、代谢适应等。但CLPP方法因快速、简便而受到人们的欢迎,因而有专用于土壤和环境微生物生态研究的生态微平板(EcoPlates)(Insam,1997)。土壤酶测定方法至今没有一个标准的参数和测定标准,不能对土壤微生物生态功能一个准确的答案,若要充分分析土壤特征,了解不同土壤之间的差异,一定要与其他的方法相配合。

折叠 流(fluxs)

土壤微生物是土壤生态系统中库(pool)和流的一个巨大的原动力。土壤酶测定一般要在适宜的条件下测定,不能作为土壤物流的原位评价。库和流的计算对土壤微生物学家来说很重要,测定土壤微生物呼吸(CO2的释放量),是较好的微生物群落总代谢活性指标。

N、NO3输入引起土壤酸化,甚至引起地下水的N污染。氮的分配(N2O、NO等)对气候变化和臭氧层破坏有极大影响,生物固氮对缓解矛盾有重要的意义,同时也提高农作物产量和减少人类饥饿。从1970年以来,共生和非共生固氮研究很热烈。土壤微生物学家应用分子生物学技术在转基因作物和转基因工程菌方面研究,大大提高了生物固氮效果。许多传统方法,如N矿化测定,硝化潜力或用于反硝化测定的乙炔抑制方法仍然广泛使用。应用15N放射性标记方法可详细地了解土壤中或土壤微生物群落中的N分配和去向。

土壤具有复杂的空间异质性,大多数养分流测定方法不适于田间测定,局限于实验室模拟,有较好的地理信息系统软件来统计和分析这些数据。Bruckner等(1999)测定土壤理化和生物指标,研究了温带松果类森林土壤的的空间差异,发现土壤中某些养分转化过程需要在一定的生态点进行,如仅在一定团粒粒级范围内进行。Rasiah等(1999)研究发现不同农业措施会引起土壤紧实度、质地和有机质特性变化。Stenberg等(1998)研究26种不同性质土壤的微生物状况,也证明土壤有巨大的异质性。

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