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华北亚高山土壤细菌群落及氮循环对退耕还草的响应

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生态环境学报 2022年第8期31卷 1537-1546页

作者：王礼霄刘晋仙柴宝峰山西大学黄土高原研究所/黄土高原生态恢复山西省重点实验室山西太原030006

退耕还草是生态恢复的重要措施,地上植被演替是驱动微生物变化的最重要因素之一。在生态系统相对脆弱的华北亚高山草甸,微生物群落结构和氮循环的潜在功能受退耕还草的影响尚不清楚。利用16S rRNA基因的Illumina MiSeq测序和q PCR技术,... 详细信息

退耕还草是生态恢复的重要措施,地上植被演替是驱动微生物变化的最重要因素之一。在生态系统相对脆弱的华北亚高山草甸,微生物群落结构和氮循环的潜在功能受退耕还草的影响尚不清楚。利用16S rRNA基因的Illumina MiSeq测序和q PCR技术,研究了山西省宁武云中山亚高山退耕还草区不同恢复年限(农田、15 a、20 a、30 a)的草地土壤细菌群落结构及其氮循环功能基因的变化特征。结果表明,农田和不同恢复年限的草甸地上植被多样性指数(Shannon index)和丰富度指数(Richnessindex)以及土壤理化性质(土壤总碳、总氮、碳氮比、硝态氮、铵态氮和土壤含水率)和酶活性(过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶)差异显著(P氮、碳氮比与铵态氮含量是细菌群落结构变化的重要驱动因子(P氮循环的功能基因nif H、amo A-AOA、amo A-AOB的丰度随自然恢复时间而增加(P氮循环相关功能发生了显著的变化。研究结果将为华北亚高山退耕还草区生态保护措施的制定提供数据支持。

关键词：生态恢复退耕还草植物多样性土壤理化性质细菌群落结构氮循环基因

不同污染方式下铅对茶园土壤氮素转化及功能微生物的影响

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不同污染方式下铅对茶园土壤氮素转化及功能微生物的影响

作者：邓青梅安徽农业大学

学位级别：硕士

重金属污染因其具有隐蔽性、高毒性、持续性和生物累积性成为全球普遍关注的重大环境问题。由于茶树的特殊生理作用,茶园土壤酸化严重。茶树作为叶用型经济作物对氮肥的需求量大,常常通过增施氮肥来保证茶叶产量,茶园存在过量施用化肥... 详细信息

重金属污染因其具有隐蔽性、高毒性、持续性和生物累积性成为全球普遍关注的重大环境问题。由于茶树的特殊生理作用,茶园土壤酸化严重。茶树作为叶用型经济作物对氮肥的需求量大,常常通过增施氮肥来保证茶叶产量,茶园存在过量施用化肥的情况。过量施加氮肥不仅会降低肥料的利用率,还会加剧土壤酸化。随着茶园土壤酸化的加剧,土壤中铅等风险元素的生物有效态含量增加,对土壤元素循环及相关生物的危害增加。本研究以优质茶苗品种舒茶早为研究材料,设置两种铅污染方式（累积和一次）和三种铅浓度（低浓度为100 mg/kg、中浓度为300 mg/kg和高浓度为900mg/kg）,研究不同污染方式下铅对茶园土壤氮素转化,土壤氮循环功能微生物的数量、酶活性、群落结构和土壤氮循环功能基因丰度的影响。为研究铅对茶园土壤中氮转化的影响机理以及提高土壤氮素的生物利用率提供理论依据,主要研究结果如下:土壤铅全量和有效态含量在不同处理间均具有显著性差异,且在累积污染方式下土壤铅全量和有效态含量高于一次污染（P0.05）。污染方式显著影响土壤阳离子交换量,累积污染高于一次污染。茶苗根系全氮和N丰度在高浓度累积污染下升高,茶苗地上部分全氮和N丰度则在铅处理下降低。茶苗根系和地上部分的全氮和N丰度均在高浓度一次铅处理下显著降低（P氮素残留量的增加。土壤中全氮、N丰度、碱解氮、铵态氮和硝态氮含量均随着铅处理水平增加而增加。污染方式显著影响了铵态氮和硝态氮含量,一次污染土壤中硝态氮含量显著高于累积污染（P氮菌、亚硝酸细菌和硝酸细菌数量均在铅处理下减少,且自生固氮菌和硝酸细菌数量在高浓度铅处理下显著降低,亚硝酸细菌在中浓度和高浓铅处理下显著降低;可培养反硝化细菌数量则在铅处理下增加,在累积高浓度铅处理下显著增加（P氮循环功能微生物与其他处理差异最大。土壤氮循环中参与硝化作用的微生物最多,其次是好氧＿亚硝酸盐＿氧化作用和脲素分解作用。亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属和硝化螺菌属为优势细菌属。冗余分析表明:碱解氮、有效铅和全量铅是土壤氮循环微生物的主要影响因子。铅污染降低了茶园土壤nifH、amoA和nxrB基因丰度。污染方式显著影响了amoA、nxrB、narG、napA、nirK、nosZ和norB基因丰度。对于nirK、narG、nosZ、napA和norB基因丰度,一次污染显著高于累积污染（P<0.05）。

关键词：铅污染方式土壤氮素转化功能微生物酶活性氮循环基因

磁场强化人工湿地系统处理生活污水的效能与机制研究

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磁场强化人工湿地系统处理生活污水的效能与机制研究

作者：李梦琪西北农林科技大学

学位级别：硕士

随着乡村振兴战略的实施,农村经济得到迅速的发展,但农村生态环境问题依旧严峻。自然径流和蒸发是农村生活污水处理的主要方式,这不仅危害当地居民的身体健康和生活环境,还会对周围地区的地下水、河流、湖泊等水体造成污染。人工湿地技... 详细信息

随着乡村振兴战略的实施,农村经济得到迅速的发展,但农村生态环境问题依旧严峻。自然径流和蒸发是农村生活污水处理的主要方式,这不仅危害当地居民的身体健康和生活环境,还会对周围地区的地下水、河流、湖泊等水体造成污染。人工湿地技术,因其成本低、易于操作和管理等优点,被广泛应用于处理村镇生活污水。但传统人工湿地易受到温度、溶解氧(DO)和微生物群落等多种因素的影响,导致湿地系统脱氮效能不佳及水质净化效果不稳定。研究表明,在适宜的强度下,磁场有利于微生物的生长代谢,并能提高酶活性。因此,基于磁场对微生物的影响,积极开展磁场强化人工湿地系统处理生活污水的效能与机制的研究,有助于人工湿地技术在生活污水处理中的实践应用。本研究通过构建磁场-人工湿地耦合系统,探究了磁场的施加与人工湿地去污效果的关系,确定磁场-人工湿地耦合系统的最佳磁场参数;在最佳磁场参数下,考察了磁场-人工湿地耦合系统在不同温度下的去污性能以及氧化亚氮(NO)排放特征,分析了湿地中污染物的迁移转化规律;明确了磁场对植物、微生物抗氧化系统的影响,解析了磁场作用下人工湿地中微生物群落结构、氮代谢途径及关键微生物酶活性。主要研究结论如下:(1)磁场的施加对人工湿地中污染物的去除有强化作用,且强化效果与磁场强度、磁场位型有关。本试验中施加平均磁场强度为110 m T的相吸磁场的人工湿地去污效果最好。总氮(TN)和氨氮(NH-N)的去除率分别为80.08%-80.27%、81.68%-83.71%,与常规系统相比,去除率均提高了约10%。磁场也促进了有机物的去除,但对总磷(TP)的去除未有强化效果。此外,磁场能显著提高湿地系统典型周期中氮的降解速率,但其未能提高有机物和TP的去除速率。(2)磁场-人工湿地耦合系统的长期去污效果受环境温度的影响。湿地系统中污染物的去除率随着温度的降低而降低,污染物的降解速率同样受到温度的影响,但湿地中NO排放通量与温度无关。磁场的施加可以有效减轻温度的降低对湿地系统中有机物和氮去除造成的负面影响,其中NH-N和TN的去除率分别提高了10.03%-15.30%和5.51%-9.04%。并能有效提升不同温度下湿地系统中有机物和氮的降解速率。此外,磁场的施加能够使25℃下湿地系统中NO的排放通量降低27.85μg mh。(3)磁场的施加未对湿地植物和微生物造成胁迫,但影响了湿地系统中微生物群落结构、氮代谢途径以及微生物酶活性。硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和硝化螺菌属(Nitrospira)分别为门水平、属水平上的优势微生物,均为硝化细菌,在磁场-人工湿地耦合系统中的相对丰度显著高于未施加磁场的湿地系统。各人工湿地中具有多种参与氮磷去除的菌属,磁场的存在提高了人工湿地中硝化细菌和聚磷菌(PAO)的相对丰度。磁场显著提升了硝化作用相关功能基因的相对丰度和氨单加氧酶(AMO)活性,增加了反硝化中三羧酸(TCA)循环、编码复合物I、编码一氧化氮还原酶(NOR)和氧化亚氮还原酶(NOS)的功能基因的相对丰度,但同时对部分反硝化过程以及硝酸盐还原酶(NAR)活性存在负面影响。磁场通过提高微生物、相关基因的相对丰度及微生物酶的活性,使磁场-人工湿地耦合系统在各温度下均有较好的污染物去除效果,提高了人工湿地的污水净化效能,这对推广人工湿地在农村生活污水处理中的实践应用具有重要的理论和现实意义。

关键词：人工湿地磁场脱氮除磷温度氮循环基因

不同养分环境下三种冷季型草坪草对氮沉降的生态适应及其机制

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不同养分环境下三种冷季型草坪草对氮沉降的生态适应及其机制

作者：王子杰鲁东大学

学位级别：硕士

人类活动加速了全球氮循环,我国是全球氮沉降最严重的区域之一。过量的氮沉降会影响各类生态系统的生产力、物种多样性和土壤微生物特性。氮沉降会导致土壤中富集氮素,当氮素超过土壤承受能力时,会对当地生态系统造成不可逆转的损害。... 详细信息

人类活动加速了全球氮循环,我国是全球氮沉降最严重的区域之一。过量的氮沉降会影响各类生态系统的生产力、物种多样性和土壤微生物特性。氮沉降会导致土壤中富集氮素,当氮素超过土壤承受能力时,会对当地生态系统造成不可逆转的损害。目前针对氮沉降的影响结果缺乏统一的定论和规律,这不仅取决于氮沉降的程度,还受到不同生态环境因素的影响,如生态类型、土壤养分水平、气候条件等。城市草坪草种植区土壤养分水平不同,其对氮沉降的响应也会存在差异。对不同养分环境下草坪草对氮沉降响应的系统研究,有助于更好地理解氮沉降对草坪草生态系统的影响及其作用机制。这有利于指导城市生态环境恢复和保护工作的开展,以及采取相应的管理措施来减轻氮沉降对生态系统的负面影响,促进城市生态环境的可持续发展。本研究以烟台市常见冷季型草坪草黑麦草(Lolium perenne L.)、白车轴草(Trifolium repens L.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)为研究对象,采用盆栽试验设置不同养分水平土壤,模拟不同氮沉降强度,检测植物生长指标、土壤理化性质及土壤微生物群落多样性、结构和生态功能,特别是土壤微生物氮循环相关功能,来揭示氮沉降背景下土壤养分水平对不同植物适应氮沉降策略的影响。主要研究结果如下:(1)氮沉降和不同养分水平对三种草坪草的生物量影响显著,尤其是地上生物量。在养分含量较低时,氮沉降可以促进其生长;在养分含量较高时,氮沉降则会抑制其生长。黑麦草相较于白车轴草和紫花苜蓿在不同土壤养分水平下生物量的影响较小,表明黑麦草有较高适应氮沉降的能力。(2)以黑麦草种植土壤为例,根据土壤细菌群落扩增子相对定量测序分析结果分析得出,随着氮沉降程度的增加,匿杆菌门(Latescibacterota)呈现先下降后上升的趋势,放线菌门(Actinobacteriota)呈现逐渐下降的趋势,硝化螺旋菌门(Nitrospirota)呈现逐渐上升的趋势;随土壤养分水平的上升,硝化螺旋菌门(Nitrospirota)呈现逐渐上升的趋势,酸杆菌门(Acidobacteriota)和粘球菌门(Myxococcota)均呈现逐渐下降的趋势。(3)随土壤养分水平的升高,氮代谢相关基因amoA、amoB、amoC、Hao、narG、narH、narI、napB、nirK、norC丰度上升,nifD和nifK丰度下降;随氮沉降程度的上升,在低氮沉降处理中,amoB、amoC、nifK、nifD、nifH、norC、nosZ、nirB、nirD和nrfH的丰度上升,nasA、nasB的丰度下降;在高氮沉降处理中,amoB、amoC、nirD、nrfH和norC丰度上升,nasA、nasB、nirB、nifD、nifK、nifH和nosZ下降。氮沉降量始终同土壤速效氮成正比,而土壤养分水平同土壤速效氮只有在高氮沉降处理时才具有相关性。土壤养分水平主要影响土壤中的硝化、反硝化和固氮过程,高养分可能使氮排放增加;而与土壤养分水平适合的氮沉降水平可促进氮代谢,高氮沉降使固氮减慢,土壤硝酸盐积累,对土壤环境造成破坏。综上所述,在不同土壤养分水平环境下,三种冷季型草坪草应对氮沉降的策略各不相同,相比较来说,黑麦草在不同土壤养分水平下的氮适应能力较强,土壤内的硝化过程和反硝化过程均加快。其中,黑麦草种植土壤内的氮循环相关基因与其地上生物量和土壤理化性质息息相关,其较强氮沉降适应能力是通过提高所在土壤微生物的硝化和反硝化过程功能基因丰度,加快氮循环速度,保证其生物量在低土壤养分水平处理有所提高,从而维持系统草坪草生产力稳定,也加快了氮循环,从基因水平揭示了黑麦草对氮沉降的生态适应和机制。本研究发现土壤养分对草坪草的氮沉降适应机制有重要影响,这为深入理解土壤微生物参与生物地球化学循环过程和城市生态环境提供新的理论基础。

关键词：氮沉降养分水平草坪草氮代谢氮循环基因

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半干旱荒漠区柠条根际细菌群落结构与功能

基因组学与应用生物学 2021年第11期40卷 3508-3517页

作者：沈聪刘爽苏建宇田平雅代金霞宁夏大学生命科学学院银川750021 宁夏大学西部特色生物资源保护与利用教育部重点实验室银川750021

本研究对宁夏荒漠区5个典型的柠条(Caragana korshinskii)群落根际土壤样品进行了16S rRNA和宏基因组高通量测序,分析了干旱荒漠生境下柠条根际细菌群落结构、氮循环基因多样性及其与环境因子的相关性。结果表明,柠条根际细菌分布于39个... 详细信息

本研究对宁夏荒漠区5个典型的柠条(Caragana korshinskii)群落根际土壤样品进行了16S rRNA和宏基因组高通量测序,分析了干旱荒漠生境下柠条根际细菌群落结构、氮循环基因多样性及其与环境因子的相关性。结果表明,柠条根际细菌分布于39个门,以放线菌门(22.69%~33.86%)和变形菌门(21.24%~31.79%)为主要优势菌门,其次是绿弯菌门(10.25%~16.39%)、酸杆菌门(11.09%~14.90%)、拟杆菌门(3.50%~6.67%)和芽单胞菌门(1.70%~6.43%)等;共有418个核心细菌属,各样品中都有不同数量的特有属,多样性极其丰富。宏基因组数据表明,柠条根际土壤中真细菌reads数占94.37%,其次为古细菌(5.35%)和真核生物(0.15%);最丰富的功能类别是氨基酸转运与代谢,其次是能量生产与转化,复制、重组和修复。与碳水化合物、氨基酸和能量代谢相关的功能基因最丰富,表明这些基因与各个生物类群的生长有着密不可分的关系。根际细菌参与氮代谢的相关路径主要包括异化性硝酸盐还原、同化性硝酸盐还原、反硝化、硝化以及固氮过程,其中异化性硝酸盐还原和同化性硝酸盐还原途径是氮循环的主要途径。相关性分析表明,土壤pH值、速效氮和全钾含量是影响柠条根际微生物组成的主要限制因子,有机质、总氮和有效磷含量显著影响氮循环功能基因丰度。

关键词：柠条群落根际细菌多样性高通量测序氮循环基因

渗滤液短程硝化-厌氧氨氧化工艺深度脱氮及机理研究

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环境卫生工程 2021年第1期29卷 77-82页

作者：张良茂周童聂剑文李靖谢冰华东师范大学生态与环境科学学院上海200241 上海有机固废生物转化工程技术研究中心上海200241 上海老港固废综合开发有限公司上海200060 上海恒奕环境科技有限公司上海201199

针对垃圾渗滤液脱氮困难的问题,利用序批式反应器,通过逐步提高进水渗滤液含量、短程硝化-厌氧氨氧化相结合的工艺模拟了实际渗滤液的处理,探究了氮循环功能基因的变化,分析和推测了不同脱氮途径的功能强度。结果表明:该系统的总氮去除... 详细信息

针对垃圾渗滤液脱氮困难的问题,利用序批式反应器,通过逐步提高进水渗滤液含量、短程硝化-厌氧氨氧化相结合的工艺模拟了实际渗滤液的处理,探究了氮循环功能基因的变化,分析和推测了不同脱氮途径的功能强度。结果表明:该系统的总氮去除率达到90%以上,去除负荷为0.51 kg/(m3·d),去除效果稳定,实现了对氮的深度处理。另外,通过对体系中氮循环功能基因的测定,发现随着渗滤液的投加,厌氧氨氧化脱氮反应的优势地位有所下降,反硝化过程协同脱氮能力增加,结合实际运行数据表明反硝化菌群的富集,在一定程度上提高了厌氧氨氧化系统的性能。

关键词：垃圾渗滤液短程硝化厌氧氨氧化脱氮氮循环基因