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微生物介导辉锑矿风化过程中锑的地球化学行为研究

微生物介导辉锑矿风化过程中锑的地球化学行为研究

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作者：邵俐广州大学

学位级别：硕士

我国锑（Antimony,Sb）资源丰富,储量和产量均居世界首位。锑矿开采活动对周边环境造成了诸多不利的影响。辉锑矿是自然界中锑的主要赋存矿物,其风化作用是锑进入环境循环的关键途径之一。辉锑矿风化过程受到生物与非生物因素的共同调... 详细信息

我国锑（Antimony,Sb）资源丰富,储量和产量均居世界首位。锑矿开采活动对周边环境造成了诸多不利的影响。辉锑矿是自然界中锑的主要赋存矿物,其风化作用是锑进入环境循环的关键途径之一。辉锑矿风化过程受到生物与非生物因素的共同调控。然而,目前关于微生物介导辉锑矿风化的作用机制及其对锑地球化学行为影响的研究尚显不足。本研究选取辉锑矿为研究对象,开展微生物风化辉锑矿的实验,旨在深入揭示微生物参与下辉锑矿风化机制及微生物在锑地球化学循环中的作用。本论文的主要研究结果如下:（1）微生物影响辉锑矿风化过程。微生物改变了辉锑矿风化的理化环境,例如,微生物风化组溶液中p H和Eh值比非生物风化组低。此外,微生物风化组与非生物风化组间溶液中低分子量有机酸（如琥珀酸、丙酸、富马酸、丙二酸、苹果酸和乙酸）的分布特征存在显著差异。本实验还在微生物风化组中检测到铁载体的存在,这是非生物风化组所不具备的。这些环境因子的差异造成了辉锑矿风化过程Sb释放模式的差异,微生物风化组辉锑矿中Sb的释放呈现初期快速释放而后期趋于稳定的态势,而非生物处理组Sb释放则经历了先小幅上升、后短暂下降、再急剧上升的波动过程。本研究通过单因素风化实验,进一步明确了上述环境因子对辉锑矿中Sb释放的影响:（1）各种低分子量有机酸中,苹果酸对Sb的释放效果最佳;（2）铁载体含量越高,辉锑矿中Sb的释放越多。（2）辉锑矿风化过程影响微生物群落的组装和结构。对比无矿物对照组,微生物风化组的微生物群落不仅在多样性、优势菌种构成上存在显著差异,其群落组装过程、共生网络的复杂度与稳定性等方面亦显示出独特的特性。具体而言,无矿物对照组的微生物多样性和物种组成呈现出较生物风化组更为显著的波动性。进一步研究表明,相较于无矿对照组,微生物风化组微生物群落的组装以确定性过程为主导,且形成了更加复杂和稳定的网络结构。值得注意的是,两个处理组间的核心微生物组成也具有显著差异。其中无矿对照组的核心微生物（keys tone taxa）是ASV249（Pseudomonadaceae）和ASV13（Pseudomonadaceae）;微生物风化组前期的核心微生物分别为ASV54（Enterobacteriales）、ASV213（Enteroba cteriales）、ASV17（Pseudomonadaceae）、ASV407（Pseudomonadaceae）、ASV9（Bu rkholderiales）和ASV266（Enterobacteriales）,后期鉴定出3个Keystone,分别为ASV70（Pseudomonadales）、ASV33（Enterobacteriales）以及ASV162（Unassigned）,这些微生物被证实具有氧化Sb（III）的能力。（3）微生物介导Sb、Fe形态转化。非生物风化组初始液相中Sb（III）浓度为20.66 mg/L,在10天内被完全转化为Sb（V）,至第30天,Sb（V）浓度达到峰值,平均值为83.34 mg/L,呈现出有序且高效的氧化进程。相比之下,微生物风化组中Sb（III）在第3天浓度最高,均值为18.11 mg/L,至第30天降至平均值15.32mg/L,暗示微生物活动对Sb氧化速率及路径产生了复杂调控。溶液中Fe的价态在两组之间也具有显著的差异,非生物处理组中从第5天起溶液中Fe主要以Fe（II）形式存在,至风化末期Fe（III）几乎完全转化为Fe（II）。微生物处理组中Fe的转化趋势与非生物处理组相似,但风化晚期溶液中Fe（II）浓度低于非生物处理组。这些结果表明,两个处理组Fe和Sb之间的电子交换过程可能是介导其形态转化的主要因子。进一步结合矿物相表征的结果发现,结合XRD和XPS的结果,我们观察到微生物风化组矿物残渣中次生矿物Ba（Sb2O6）的生成。这一现象表明,在微生物处理条件下,液相中Sb（III）氧化生成的Sb（V）能够以Ba（Sb2O6）的形式沉淀下来,揭示了微生物在Sb地球化学循环中的潜在调控作用。本研究结果为锑矿山环境中锑的地球化学行为的研究提供了新的认识,也为未来在矿山环境中锑的生态修复提供理论支撑。

关键词：辉锑矿锑的溶解和氧化原位微生物微生物组装

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土壤细菌与真菌及病毒群落结构变化对高寒草地退化程度的响应

土壤细菌与真菌及病毒群落结构变化对高寒草地退化程度的响应

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作者：王晓春兰州大学

学位级别：硕士

草地退化从多方面影响着草地生态功能。高寒生态系统土壤细菌、真菌和病毒结构和功能越来越受到重视,那么与其他土壤微生物组分相比,土壤病毒在草地退化过程中究竟如何变化?并如何影响草地生态功能?这个问题是深入理解高寒草地退化过程... 详细信息

草地退化从多方面影响着草地生态功能。高寒生态系统土壤细菌、真菌和病毒结构和功能越来越受到重视,那么与其他土壤微生物组分相比,土壤病毒在草地退化过程中究竟如何变化?并如何影响草地生态功能?这个问题是深入理解高寒草地退化过程中地下生态机制的一个关键,也是进一步掌握在未来气候变化与人类活动背景下,高寒地区土壤病毒生态安全风险的认知过程,更是高寒草地生态系统健康评价与管理的重要科学依据。基于此目的,该研究以青藏高原祁连山高寒退化草地为研究对象,采用数量分类和排序方法,通过对调查高寒草地28个大样地140个样方的5个植被指标、7个土壤指标进行数量分类与排序分析,确定了4个不同退化程度等级。进一步对4个不同退化程度的28个样地,采用宏病毒组测定土壤病毒,高通量测序法测定土壤细菌和真菌序列。分析了草地退化过程中土壤细菌、真菌和土壤病毒变化规律和功能,并通过相关性分析、零模型、冗余分析、结构方程模型等方法,研究植被、土壤理化性质、土壤微生物及草地生态功能之间的关系。主要结果如下:(1)祁连山不同退化程度的高寒草地中植被和土壤特征各不相同。未退化、轻度退化、中度退化、重度退化的草地植被覆盖度范围为80～100%、51～88%、49～69%、27～47%。土壤有机碳含量的范围为145.95～148.49 g/kg、35.15～85.73g/kg、29.54～57.82 g/kg、11.36～19.60 g/kg。(2)土壤细菌和真菌的多样性和物种组成在草地退化过程中发生了改变。在中度退化草地中,细菌和真菌物种多样性最高。处于未退化和重度退化的草地中细菌和真菌物种组成差异显著(P微生物组装过程。在细菌和真菌组装过程中,随机性过程和确定性过程都发挥了作用,但以扩散限制为主的随机性过程占据主导地位。在重度退化草地中,细菌和真菌随机性过程贡献率最高,分别为90.96%和82.54%。(4)病毒基因功能预测结果表明高寒退化草地中存在与氨基酸代谢和碳水化合物代谢等功能相关的代谢基因,其中大部分辅助碳水化合物代谢基因参与复杂多糖的降解从而促进退化草地碳循环。(5)草地退化影响生态多功能性。结构方程模型表明,草地退化造成土壤p H增加,土壤病毒α多样性降低,导致草地生态多功能性的降低,草地退化过程中,土壤病毒侵染细菌菌群,降低草地生态多功能性,退化草地土壤病毒对高寒草地健康存在一定的生态安全风险。综上,祁连山地区高寒草地退化通过影响病毒物种多样性影响细菌物种多样性进而影响真菌物种多样性,并对草地生态功能造成影响。在草地退化过程中,细菌、真菌的物种多样性均在中度退化草地中达到最高,而病毒在未退化草地中物种多样性最高,中度退化草地中次之。此外,该研究发现土壤病毒降低细菌多样性,影响草地生态功能。因此在草地管理中,使用微生物和病毒结合分析能够增加对草地生态健康认识的准确度,有助于更加科学的进行草地管理。

关键词：祁连山高寒草地草地退化土壤微生物土壤病毒微生物组装生态多功能性结构方程模型

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封育对不同草地类型土壤有机碳储量和微生物呼吸的影响

封育对不同草地类型土壤有机碳储量和微生物呼吸的影响

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作者：阿斯太肯·居力海提新疆农业大学

学位级别：硕士

陆地生态系统土壤有机碳储量和土壤微生物呼吸的微小变化,会引起大气二氧化碳（CO）浓度的巨大变化以及全球碳循环的明显改变,从而引起全球气候的巨大变化。提高不同草地类型土壤有机碳储量、减少土壤CO排放对减缓大气CO浓度升高具有重... 详细信息

陆地生态系统土壤有机碳储量和土壤微生物呼吸的微小变化,会引起大气二氧化碳（CO）浓度的巨大变化以及全球碳循环的明显改变,从而引起全球气候的巨大变化。提高不同草地类型土壤有机碳储量、减少土壤CO排放对减缓大气CO浓度升高具有重要意义。封育作为一种简单且有效的退化草地恢复策略,能够在草地生态系统上消除牲畜对退化草地的影响,使草地生态系统能够进行自我恢复和重建。探究封育背景下草地土壤有机碳储量和土壤微生物呼吸的变化规律,能够为合理利用草地资源和全球陆地生态系统碳循环的研究提供一定的科学依据和数据支撑,其具有重要意义。本文以封育背景下的不同草地类型（温性荒漠、温性草原、山地草甸）为研究对象,通过测定封育区（9年）与放牧区草地植物群落特征、土壤理化特性和土壤有机碳储量,明确不同草地类型植被特征和土壤理化性质对封育的响应规律,并探讨封育对不同草地类型土壤有机碳储量的影响及其潜在影响因素,以及通过对微生物群落结构、多样性、微生物组装过程的分析测定和微生物呼吸量的测定,明晰封育对不同草地类型微生物组装过程的影响及其对微生物呼吸的调控。研究得到的主要结果如下:（1）封育有利于温性草原和山地草甸植物群落的恢复,而不利于温性荒漠草地植物群落恢复;在土壤理化性质方面,封育显著提高了温性荒漠草地0-5 cm土层、温性草原和山地草甸5-10 cm土层的有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量（P生物量（AGB）、均匀度指数（Pielou）、土壤含水量（SWC）和SOC含量;在温性草原中,调控有机碳储量的影响因素是容重（BD）、TP和铵态氮（NH-N）含量;而山地草甸中,影响土壤有机碳储量的潜在驱动因子是AGB、优势度指数（Simpson）、SOC、微生物量磷（MBP）和微生物量碳氮比（MBC:MBN）含量。（3）三种草地类型0-5 cm、5-10 cm土层的土壤细菌群落组装均由确定性过程为主,而土壤真菌群落的组装过程在温性荒漠草地和温性草原的各土层中均由随机过程为主,山地草甸0-5 cm、5-10cm土层的真菌群落组装由确定性过程为主。（4）封育后温性荒漠草地0-5 cm、5-10 cm土层的微生物呼吸量和山地草甸0-5 cm土层的微生物呼吸量均显著降低（P微生物量,进而调控微生物呼吸;而在山地草甸中,封育措施可通过影响植物特征、土壤特性及微生物组装过程从而调控微生物呼吸。综上,封育在一定程度上促进了温性草原和山地草甸的植被恢复,抑制了温性荒漠草地植物恢复;同时封育能够较好的改善三种草地的土壤养分。另外,封育虽促进了富营养型微生物的增长,却显著降低了微生物呼吸量。因此,在对退化草地治理恢复时,封育应结合植被类型、植被生长环境等多方面因素,制定合理的封育措施,以期达到并维持草地生态系统的健康和稳定。

关键词：封育草地类型有机碳储量微生物组装微生物呼吸

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