外源添加物对Cd诱导土壤呼吸Hormesis效应的影响

作     者：孙劲伟 

作者单位：南京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱咏莉

授予年度：2022年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：Hormesis Cd 模式土壤 葡萄糖 细菌群落结构与多样性 

摘      要：Hormesis(毒物兴奋效应),指的是生物体暴露在低浓度胁迫时会出现刺激性响应,高浓度时受到抑制的现象。近年来,为进一步探索Hormesis在生态系统尺度的表达及其潜在的污染修复价值,Hormesis研究正从传统的生物对象转向更为复杂的生物-非生物复合体。土壤是目前已知的最复杂的生物-非生物复合体。研究表明,以土壤本身作为实验模型,土壤酶和土壤微生物群落为测试终点,能够很好地探索土壤生态系统尺度的Hormesis效应。土壤呼吸是土壤中的植物根系、食碎屑动物、真菌和细菌等进行新陈代谢活动,消耗有机物产生二氧化碳的过程。以往有关镉(Cd)胁迫下土壤呼吸的研究居多,但有关低剂量Cd诱导Hormesis效应的研究报道还很不充分,特别是,外源添加C、N、P及矿质离子对Hormesis表达的调控研究还未见报道。本论文以模式土壤为对象,通过接种土壤微生物,设置CK(对照)、GC(添加葡萄糖)、NP(添加氮磷)、MS(矿质离子强化)、GC+MS(同时添加葡萄糖及矿质离子)、GC+NP(同时添加葡萄糖与氮磷)、NP+MS(同时添加氮磷及矿质离子)和GC+NP+MS(同时添加葡萄糖与氮磷及矿质离子)等8个处理,研究葡萄糖与氮磷添加及矿质离子强化对Cd胁迫下土壤呼吸速率的影响,同步分析土壤细菌群落结构与多样性的变化,以期揭示土壤生态系统毒物兴奋效应机理和探索相应调控措施提供理论依据。主要研究结果与结论如下:(1)GC、NP、MS、GC+NP、NP+MS和GC+NP+MS处理均观测到典型Hormesis现象,最大刺激幅度变化在16.7～262.6%,但不同处理出现的时间并不相同。这表明,外源添加葡萄糖、NP和矿质离子诱导Cd胁迫下土壤呼吸Hormesis效应的表达具有时间依赖性。(2)NP、MS和GC+NP处理Hormesis效应表达的时间与最大Cd剂量(范围)分别为:0 h(0.04～0.1、0.4 mg·kgCd)、12 h(0.02 mg·kgCd)和48 h(0.01 mg·kgCd);0 h(0.6、20.0 mg·kgCd)、12 h(0.02、0.6～5.0 mg·kgCd)和24 h(2.5 mg·kgCd);0 h(0.02、0.4、2.5、13.0 mg·kgCd)、12 h(0.01 mg·kgCd)和48 h(0.01 mg·kgCd)。这表明,Cd诱导下土壤呼吸的Hormesis效应集中表达在暴露后的初期(0～12 h),并且在剂量与时间序列上出现“多重Hormesis现象。(3)无Cd胁迫时,外源添加葡萄糖、NP与矿质离子对土壤呼吸速率影响的交互作用均表现为拮抗;添加葡萄糖与矿质离子对土壤呼吸影响的交互作用随Cd剂量的增加表现为协同与拮抗的交替;然而,对葡萄糖与NP而言,二者的交互作用表现为,0.01～0.2mg·kg剂量区间的协同与0.3～30.0 mg·kg剂量区间的协同与拮抗交替;NP与MS两个处理表现为,0.02～0.3 mg·kg剂量区间的拮抗以及0.4～30.0 mg·kg剂量区间的协同与拮抗交替;对GC、NP和MS三者而言,0.01～0.6 mg·kg剂量区间表现为协同与拮抗交替,1.0～30.0mg·kg剂量区间表现为拮抗。这表明,无Cd胁迫时,主导土壤呼吸的微生物无论外源添加C源、NP或矿质离子,均通过拮抗作用来竞争资源。但当存在Cd胁迫时,不同添加条件下的微生物因剂量与资源类型的不同而表现出不同的交互作用。同时添加GC、NP和MS有助于降低高剂量Cd胁迫下土壤呼吸的C损失。仅添加GC与NP可能刺激低剂量Cd胁迫下土壤呼吸作用加强。(4)细菌群落结构与多样性分析表明,随Cd的剂量升高(0.0、1.0、20.0 mg·kg),Paenibacillus群落的相对丰度(RAs)显著下降(P0.05),但这并不导致细菌群落多样性指数发生显著变化,但随着暴露时间的延长(0、6、12、48 h),GC、MS、GC+MS、GC+NP和GC+NP+MS处理Shannon指数显著下降(P0.05)。(5)门水平上,各处理的优势群落均为Proteobacteria和Firmicutes,属水平上,优势群落为Massilia。单独添加葡萄糖(GC)或其与其他组分共同添加(GC+MS、GC+NP、GC+NP+MS)导致Firmicutes(门)和Paenibacillus(属)群落的RAs升高,MS的单独添加引起Actinobacteria(门)和Paenibacillus(属)群落的RAs降低。(6)相关性分析表明,Actinobacteria(门)和Arthrobacter(属)群落的RAs变化与土壤呼吸速率呈显著正相关(P0.05)。随着暴露时间的延长,Bacteroidota(门)以及Pedobacter和Adhaeribacter(属)群落也显著影响土壤呼吸速率的变化。这表明,Cd胁迫下土壤呼吸速率变化受Actinobacteria(门)和Arthrobacter(属)细菌群落主导,暴露时间(48 h)对细菌群落具有显著筛选作用。