茶园土壤中真菌反硝化作用的研究

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氧化亚氮(N20)是受《京都议定书》控制的地球大气中最主要的温室气体之一,它对地球臭氧层造成严重破坏,进而对人类及其他生物的生境安全构成威胁。地球最主要的N20气体的排放来自土壤,占到大气N20气体总排放量的65%。茶园土壤作为我国典型且特殊的农业土壤类型,分布范围和面积广泛。因人们追求茶园的经济效益以及茶叶的品质等,导致我国茶园对于氮素化肥的投入量巨大。长期以来,茶园土壤被施用过量的氮肥,造成茶园土壤严重酸化,并向大气中排放大量的温室气体N2O。土壤排放的N20气体与土壤中的微生物活动息息相关,而在高度酸化的茶园土壤中,微生物的反硝化作用占据主要地位。长期以来,国内外学者对于温室气体N20的研究多集中于水稻田等其他农业生态系统,对于茶园的研究也多集中在茶叶品质、茶园产量和管理等方面,对于茶园土壤N20气体的排放等相关研究较少。本研究选用我国著名的绿茶产地——浙江省杭州市西湖区梅家坞植茶约100年的茶园土壤作为供试样品。在实验室条件下,首先系统的完成了土壤基本理化性质、土壤N20排放量等方面的测定。同时,通过分别添加细菌抑制剂链霉素、真菌抑制剂放线菌酮,确定了100年茶园土壤中真菌反硝化作用对该土壤N20排放的贡献比例。其次,运用研究土壤微生物传统的分离方法,并结合现代分子生物学的先进技术和分析手段,通过构建土壤真菌18S ribosomaI RNA(18S rRNA)基因克隆文库,对供试土壤样品中的真菌多样性等进行分析研究,确定真菌反硝化作用对茶园土壤N20气体排放的贡献并分离得到一株反硝化真菌,命名为TF-1。最后,对真菌TF-1在不同生境条件下产生N20的能力进行比较,确定所分离真菌进行反硝化作用的最适条件。本研究主要结果如下:1.供试的100年茶园土壤为强酸性土壤,其pH仅为3.8,其N20释放量在实验室条件下测得高达37.80 ppm,是对照组某荒地土壤N20释放量(1.43 ppm)的26.43倍。2.通过向100年茶园土壤中分别添加不同的抑制剂,明确了100年茶园土壤中真菌的反硝化作用是该土壤N20释放的主要来源。链霉素作为抑制细菌的抑制剂,使得土壤N20气体的排放量下降了29%,为7.69 mg/kg;而放线菌酮作为真菌的抑制剂,使得土壤N20气体的排放下降了63%,仅为2.98mg/kg。3.实验室条件下,从供试土壤中分离、筛选并纯化得到一株耐强酸性、好氧反硝化真菌菌株,命名为TF-1,该菌株属于青霉菌属,子囊菌门。该真菌菌株仅能利用N03-作为氮源进行反硝化作用产生N20气体,且对于苹果酸以及果糖、葡萄糖等单糖的利用效率高于蔗糖等较复杂的有机物。4.通过构建18S rRNA基因土壤真菌克隆文库,分析发现100年茶园土壤中真菌的多样性较高,共分为22个OTU (Operational taxonomic unit),归属于五个真菌亚门,分别为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、毛霉亚门(Mucoromycotina)、壶菌门(Chytridiomycota)和接合菌门(Zygomycota)。本研究中所分离的真菌TF-1在供试的土壤中,有较高的相对丰度,在120个克隆子中有4条为该真菌序列,进而证明该真菌对于100年茶园土壤N20气体的释放具有一定的贡献值。
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