土壤微生物多樣性及其環(huán)境影響因子研究進展

1、土壤微生物多樣性及其環(huán)境影響因子研究進展3張薇1,2魏海雷3高洪文133胡躍高2(1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所, 北京100094; 2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京100094; 3中國科學(xué)院微生物研究所, 北京100080摘要土壤中存在豐富的微生物資源, 不同土壤系統(tǒng)具有不同的微生物群落, 微生物多樣性既依賴于生態(tài)系統(tǒng)又服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)。本文從物種多樣性、遺傳多樣性、生態(tài)類型多樣性、功能多樣性四個方面對土壤微生物多樣性進行了新的詮釋, 總結(jié)論述了土壤微生物多樣性與環(huán)境因子如土壤、植物群落和氣候條件之間的關(guān)系, 并對目前存在的問題和今后面臨的挑戰(zhàn)提出幾點看法。關(guān)鍵詞土壤, 微生物, 多樣

2、性, 環(huán)境因子中圖分類號Q93文獻標識碼A 文章編號1000-4890(2005 01-0048-05Advances of studies on soil microbial diversity and environmental impact factors. ZHAN G Wei 1,2, WEI Hailei 2, G AO Hongwen 1, HU Yuegao 2(1Institute of A nim al Science , Chinese Academy of A gricultural Sciences , Beijing 100094, China ; 2College

3、 of A gronomy and Biotechnology , China A U niversity , Beijing 100094, China ; 3Institute of Microbiology , of , , China . Chinese Journal of Ecology ,2005, 24(1 :4852.There are abundant microorganism type of soil ecosystem. Microbial only In this paper ,soil microbial diversity , , diversity of ec

4、ological type and functional diversity and environmental factors ,such as soil character , and type was summarized and discussed. Furthermore , some problems and put forward for the further study of soil microbial diversity. K ey w ords soil ,microorganism ,diversity ,environmental factors.3國家高技術(shù)發(fā)展計

5、劃資助項目(2002AA241091 。33通訊作者收稿日期:2004-03-05改回日期:2004-05-261引言土壤圈是地球系統(tǒng)的組成部分, 土壤微生物是土壤中最活躍的部分, 是土壤分解系統(tǒng)的主要成分, 在推動土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量流動和生物地化循環(huán)中起著重要作用。近年來由于對自然資源的掠奪式開發(fā), 使得生物多樣性遭到嚴重破壞, 生態(tài)系統(tǒng)漸趨波動。而土壤微生物作為穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng), 監(jiān)測土壤質(zhì)量變化的敏感指標, 其多樣性研究在評價生態(tài)系統(tǒng)、維護生態(tài)平衡中發(fā)揮了巨大作用, 因此越來越多的學(xué)者將目光投向土壤微生物多樣性的研究和保護, 目前的研究主要集中于多樣性特征分析和環(huán)境因素對多樣性的影響兩個方面

6、, 此外還包括新的研究方法的不斷探索, 本文將主要對前兩方面進行闡述。2土壤微生物多樣性微生物的物種資源極其豐富, 是地球上僅次于昆蟲的第二大類群生物, 微生物多樣性的研究是整個生物多樣性研究的重要組成部分22。廣義上講,生物多樣性可以理解為生物物種的多樣化及其變異的程度和廣度。但長期以來, 微生物多樣性的研究層次一直是眾說紛紜。DeLong 27認為生物多樣性應(yīng)從物種多樣性、遺傳(基因 多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性三個層次上綜合表述。馬克平等1認為生物多樣性可分為物種多樣性、基因多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性四個層次。Solbrig 35對微生物群落多樣性進行剖析后提出3個組成要素:物種多樣性

7、、遺傳多樣性和功能多樣性。而Watve 等39則認為, 微生物多樣性可細致劃分為生活環(huán)境多樣性、生長繁殖速度多樣性、營養(yǎng)和代謝類型多樣性、生活方式多樣性、基因多樣性和微生物資源開發(fā)利用多樣性等。但不論如何劃分, 如果將土壤微生物的多樣性與整個生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來, 都可以從物種多樣性、遺傳多樣性、生態(tài)特征多樣性和功能多樣性4個方面全面的概括土壤微生物多樣性的基本特征。生態(tài)學(xué)雜志Chinese Journal of Ecology 2005, 24(1 :4852211物種多樣性土壤微生物物種的多樣性是多樣性研究中最基本的內(nèi)容。土壤微生物包括原核微生物如細菌、藍細菌、放線菌以及超顯微結(jié)構(gòu)微生物, 真

8、核微生物如真菌、藻類、地衣和原生動物等。據(jù)文獻記載,1g 農(nóng)田土壤中含有幾百萬細菌、數(shù)十萬真菌孢子和數(shù)萬個原生動物和藻類24。研究證實, 土壤中原核生物的數(shù)量最多, 約為216×1026個細胞, 所含有的N 、P 與陸生植物相當4。真菌、藻類和原生動物的數(shù)量較原核生物要少得多。對甘肅環(huán)縣草地可培養(yǎng)細菌分離后發(fā)現(xiàn), 平均每1g 土壤有65個不同的細菌種群, 細菌總量為4151×1091174×1010cfu g -1土壤12。對美國威斯康星農(nóng)田土壤的微生物多樣性分析表明, 約98%的物種屬于細菌, 其中1611%屬于原細菌(proteobacteria , 2118

9、%屬于Cytophaga 2Flexibacter 2Bacteroides 類群, 另有2118%屬于低G +C 含量的革蘭氏陽性菌32。但遺憾的是, 由于研究方法和人們認知能力的局限, 目前土壤中仍約有80%99%的微生物還未被認識和鑒別23,29, 研究推算, 細菌、例分別為5、104在揭示自然界微生物群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能及其相互關(guān)系研究中的最大障礙。因此, 以細胞學(xué)和形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)微生物生態(tài)學(xué)在某些方面的局限性, 最終導(dǎo)致微生物多樣性及生態(tài)學(xué)研究一直落后于其他生物的研究水平。但隨著分子生物學(xué)的理論與技術(shù)在微生物生態(tài)學(xué)研究中的不斷滲透, 土壤微生物多樣性的研究有了新的突破, 其結(jié)果更趨

10、于真實, 大量未被認知的微生物新物種及其新功能得到鑒定和應(yīng)用。212遺傳多樣性遺傳多樣性是生物多樣性的基礎(chǔ)和最重要的成分, 是生物攜帶遺傳信息的總和。從本質(zhì)上講, 生物多樣性源于遺傳的多樣性。遺傳多樣性可用來描述種群遺傳變異和研究維持變異的機制, 遺傳變異可以在形態(tài)、細胞和分子水平上體現(xiàn)。微生物遺傳多樣性在分子水平上體現(xiàn)主要是由于遺傳物質(zhì)的堿基排列順序的多樣性和組成核酸分子的堿基數(shù)量的巨大性。此外,DNA 復(fù)制中出現(xiàn)的堿基或堿基對變化, 雙鏈DNA 、單鏈DNA 、雙鏈RNA 和單鏈RNA 等多種遺傳信息的存在, 轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化和接合及準性生殖等微生物特有的基因重組現(xiàn)象, 使微生物遺傳的多樣性大大

11、擴展, 也為微生物遺傳變異、系統(tǒng)進化提供了多樣化手段。微生物正是通過更換遺傳物質(zhì)使自身不斷的發(fā)生變化, 從而適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境。分子生物學(xué)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用為研究土壤微生物遺傳多樣性帶來了新的契機。原來建立在實驗室培養(yǎng)基礎(chǔ)上的形態(tài)學(xué)和細胞學(xué)研究逐漸在向不依賴于培養(yǎng)的分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)研究轉(zhuǎn)換。目前的研究充分說明, 微生物多樣性在基因水平上主要表現(xiàn)為基因組大小和基因數(shù)目的多樣性, 遺傳物質(zhì)化學(xué)組成的多樣性和某些特異性序列的變異6。相對于真核生物來說, 土壤原核生物的基因組要小得多, 其DNA 的化學(xué)組成也有差異。經(jīng)DNA 2DNA 雜交,DNA 指紋圖譜分析,AFL P , RAPD 等分析可以

12、反映不同菌株之間的DNA 相似程度。原核生物核糖體亞基與真核生物核糖體轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)因其在遺傳進化上的保守性, , 26, 硝酸鹽2140, 甲烷細菌的x aF 30都被用來進行遺傳多樣性分析。隨著微生物基因組全序列測定和生物信息學(xué)的迅猛發(fā)展, 土壤微生物遺傳背景的多樣性將會得到更全面詳細的解析。213生態(tài)類型多樣性生態(tài)系統(tǒng)由植物群落、動物群落、微生物群落及其生境的非生命因子(光、空氣、水、土壤等 所組成。群落內(nèi)部、群落之間以及與生境之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系。顧名思義, 土壤微生物生態(tài)類型多樣性就是指不同類型生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物組成上的差異。在地球上的各個區(qū)域, 即使有相似的自然條件, 也存在著多

13、種多樣的生態(tài)系統(tǒng)。中國位于歐亞大陸中部, 國土遼闊, 氣候及地貌類型復(fù)雜, 河流縱橫, 湖泊星布, 海岸線長, 這種復(fù)雜的自然條件便產(chǎn)生了極其多樣化的生態(tài)系統(tǒng)類型。如森林、灌叢、草甸、沼澤、草原、荒漠及凍原等陸生生態(tài)系統(tǒng), 各類河流、湖泊和海洋等水生生態(tài)系統(tǒng)。土壤微生物多樣性則表現(xiàn)為遠到高寒極地、高山凍原、懸崖峭壁、火山巖, 近到森林、沙漠、草原、農(nóng)田、牧場等各種生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。對塔克拉瑪干沙漠腹地土壤微生物的研究顯示:流沙上微生物數(shù)量很少, 約為20578cfu g -1土, 而人工綠地的微生物數(shù)量顯著增加。微生物組成中細菌占總的微生物含量的90%, 其次是放線94張薇等:土壤微生物多樣性

14、及其環(huán)境影響因子研究進展菌, 真菌數(shù)量最少14。對高黎貢山土壤微生物調(diào)查結(jié)果為:生物總量約為319×106cfu g -1土壤, 最高值出現(xiàn)在海拔2000m 左右, 其植被下土壤微生物的數(shù)量和多樣性最高, 隨海拔升高或降低趨于下降8。據(jù)分析, 土壤微生物隨海拔高度的變化與生態(tài)因子呈不同程度的相關(guān)性。對南極長城站地區(qū)土壤微生物的多樣性分析結(jié)果顯示:氨化細菌主要集中在7個屬, 固氮菌僅有1個固氮菌屬, 硝化細菌有2個屬, 反硝化菌3個屬, 放線菌3個屬, 真菌主要集中在5個屬10。214功能多樣性微生物與生物環(huán)境之間的關(guān)系是極其復(fù)雜和多樣化的, 有互生、共生、寄生、捕食和拮抗等。如土壤中

15、某些芽孢菌分解代謝枯枝落葉; 豆科植物根瘤中的根瘤菌和某些非豆科植物“根瘤”中的放線菌的固氮作用; 一些高等植物根系與真菌的共生聯(lián)合形成的菌根菌; 蛭弧菌致使寄主死亡等; 某些生防微生物的防病防蟲和促生作用等。促成土壤形成。同時, 的C 、N 、P 、S , , 近年來由微生物制造的微生物肥料正日益成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一類重要肥源。目前國際上至少有70多個國家在研究、生產(chǎn)和應(yīng)用微生物肥料2。我國微生物肥料種類有固氮菌肥、磷細菌肥、鉀細菌肥、復(fù)合微生物肥料等。與化肥、有機肥相比, 微生物肥料在土壤肥力的維持、環(huán)境保護與土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面具有不可比擬的優(yōu)勢, 減少了化學(xué)物質(zhì)的污染, 有益于人類的生存

16、與健康。土壤中植物根圍促生菌(plant growth 2promoting rhizobacteria , P GPR 和共生菌產(chǎn)生的抗生素(脂肽抗生素、多肽抗生素等 、細菌素、幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶、抗菌蛋白、揮發(fā)性抗菌物質(zhì)以及植物激素等具有促進植物生長, 防治土傳病害的作用37。土壤真菌與植物根形成的共生體菌根, 可以促進寄主植物養(yǎng)分吸收, 增加植物抗鹽堿能力17, 維持植株健全的生理狀態(tài)。2001年起日本已經(jīng)啟動與高等植物共生、共存的內(nèi)生真菌等陸地微生物資源的開發(fā)利用13。地球上每年由生物固定的氮約為1175×108t , 其中在農(nóng)田中固定的氮約9×107t 。因此受到

17、全世界科學(xué)家和政府機構(gòu)的極大重視和支持。今后應(yīng)繼續(xù)深入開發(fā)固氮微生物新資源, 尋找新的固氮微生物和能應(yīng)用于主要作物、綠肥、飼料牧草及林、木等各種類型高效固氮系。土壤微生物通過生物降解作用可對廢水、城市垃圾、工業(yè)廢棄物、污泥等污染物進行處理與凈化, 還可通過與受污染的環(huán)境互作, 產(chǎn)生監(jiān)測指示環(huán)境污染程度的信息, 從而監(jiān)控環(huán)境變化, 這方面已有很多報道。如中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所利用固定化微生物降解土壤中菲和芘, 以期開發(fā)出一條提高對土壤污染多環(huán)芳烴降解率的新途徑, 并取得了初步成功3。對有益微生物資源的開發(fā)利用, 如抗病蟲害的農(nóng)用抗菌素和殺蟲劑; 醫(yī)藥用的青霉素、鏈霉素等抗菌素; 輕工產(chǎn)品蛋

18、白酶制劑、谷氨酸、多糖、食用菌等; 微生物發(fā)酵生產(chǎn)的燃料乙醇以及天敵生物等的開發(fā)研究與產(chǎn)業(yè)化, 將極大的方便人們的生活。不, , 能。樣性和功能多樣性, 帶來生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我國氣候多樣, 地形復(fù)雜, 為研究土壤微生物多樣性提供了很好的客觀條件。3環(huán)境因素對土壤微生物多樣性的影響311土壤條件土壤是微生物生活的場所, 由于受土壤條件、植物群落和氣候條件等因子的影響, 微生物的種類、數(shù)量和動態(tài)分布, 將會按照一定的生態(tài)規(guī)律產(chǎn)生各種差異。研究報道, 土壤經(jīng)15d 干旱后, 細菌總數(shù)下降近90%, 非芽孢細菌和球菌近乎消失, 而產(chǎn)芽孢細菌亦剩1/3。土壤酸堿度對微生物數(shù)量影響顯著, 真菌在酸性土壤

19、中多, 細菌和放線菌在中性或堿性土壤中數(shù)量較多。而研究發(fā)現(xiàn), 長期施用農(nóng)肥的土壤表現(xiàn)較高的酶活性、微生物生物量和微生物活性28。對6種土地利用方式下的土壤微生物數(shù)量與肥力關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn), 從多樣性指數(shù)來看, 糧作旱地>菜地>果園>荒地>水稻田>魚塘底泥19。姚槐應(yīng)等15用碳素利用和磷酸酯脂肪酸法研究了8種供試紅壤微生物群落的功能多樣性和結(jié)構(gòu)多樣性, 兩種方法均表明土地利用方式能顯著影響微生物的5生態(tài)學(xué)雜志第24卷第1期多樣性。研究川西北退化草地土壤微生物數(shù)量發(fā)現(xiàn), 微生物種類與數(shù)量有隨退化程度增高而減少的趨勢7。在不同耕作栽培方式對微生物區(qū)系影響的研究中, 有研究

20、報道:人參與紫穗槐輪作, 土壤真菌、放線菌及細菌均有變化, 而細菌種群類型變化最明顯, 隨著輪作年限的增加, 氨化細菌和硝化細菌的數(shù)量比對照高幾倍, 固氮菌的數(shù)量亦有所增加9。在連作地植物病害調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn), 多年連種小麥后全蝕病出現(xiàn)自然衰退現(xiàn)象, 究其原因主要是由于土壤中熒光假單胞桿菌等有益細菌數(shù)量增多抑制了全蝕病菌的生長25。少耕或免耕會促進那些以食真菌為主的原生動物和線蟲等土壤原生蟲系的發(fā)展, 而常規(guī)耕作通常有利于那些生命周期短、代謝率高和擴散迅速的生物繁殖34。312植物群落從微生物群落多樣性的全球格局來看, 植物群落類型初步?jīng)Q定了微生物群落的組成, 植被通過影響土壤環(huán)境, 性。定微生

21、物群落, 生物群落明顯不同16。原始森林遭破壞后, 土壤放線菌的種類按次生林、荒地、旱地的順序減少5。在對甘肅環(huán)縣的草地植被類型與根際細菌關(guān)系的研究中觀察到, 不同牧草根際細菌數(shù)量、種類、優(yōu)勢種群均存在差異2。陳文新11研究土壤桿菌屬(A grobacteri um spp. 發(fā)現(xiàn), 許多種明顯集中在植物的根際, 根際土壤中的土壤桿菌比非根際土壤高1000倍, 且沙土有利于它們的生長。而且土壤細菌的代謝活性和代謝多樣性隨著植物數(shù)量的對數(shù)和植物功能組的數(shù)量而直線上升38。此外植被的多樣性對土壤微生物C 、N 源的利用也具有重要影響。從不同土壤及覆蓋其上的植被與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的關(guān)系來看

22、, 植被使土壤中的微生物種類更豐富, 群落多樣性更高, 表層土壤微生物沒有明顯的優(yōu)勢種群, 種間競爭作用較弱18。還有研究認為森林土壤微生物的數(shù)量與樹種、林木根際的距離、土壤有機質(zhì)含量等因子有關(guān)20, 馬尾松林中土壤微生物數(shù)量幾乎是杉木林的20倍, 微生物數(shù)量與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)。313氣候影響我們生活的地球上有多種多樣氣候類型, 由此形成的復(fù)雜自然條件影響土壤微生物的生態(tài)分布。特別是在高寒極地、高山凍原、熱帶雨林等各類土壤中, 土壤微生物扮演了主要生物因子。而在高溫、高鹽、高堿、高壓和低溫、低p H 的極端環(huán)境中, 土壤微生物更是發(fā)揮了不可替代的作用。如酸熱芽孢桿菌(B acill us

23、 aci docal dari us 的大多數(shù)菌株在6575還能生長, 在40下停止生長; 溫暖、干燥氣候條件下土壤曲霉屬占多數(shù), 寒冷地方毛霉和青霉屬為主, 多濕地方木霉屬最多。在各種氣候帶中, 熱帶占有突出的地位。只占世界陸地總面積7%的熱帶森林, 卻擁有世界50%以上的物種5。此外生長于土壤中的某類嗜熱菌, 在高達112環(huán)境中能產(chǎn)生甲烷, 嗜堿菌必須在p H 高于8的環(huán)境中才能生存, 專門在鹽性環(huán)境中存活的嗜鹽菌, 嗜低溫的食用菌菌種等等, 目前此類大多數(shù)微生物利用價值未知, 但其理論價值是肯定的。4, 。微生物存在于土壤生態(tài)系中, 就必然受生態(tài)類型的影響。在不同生態(tài)系統(tǒng)中, 面對生存競

24、爭和自然選擇壓力, 不同物種在系統(tǒng)發(fā)育和進化過程中逐步形成穩(wěn)定遺傳。在一個相對穩(wěn)定的遺傳背景下, 不同微生物物種各司其職, 共同維護生存環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)展。正是在這種選擇、競爭、適應(yīng)的不斷交替過程中形成了土壤微生物的多樣性。雖然不斷有新技術(shù)新手段應(yīng)用于土壤微生物多樣性的研究, 但由于培養(yǎng)技術(shù)的局限性, 大量不可培養(yǎng)的微生物還很難確定其分類地位, 可供我們認識和利用的微生物活體資源仍然匱乏。當前對土壤微生物多樣性的研究稍然較集中于其物種和生態(tài)特征, 而對土壤微生物功能多樣性, 對土壤微生物不同種群之間的關(guān)系, 以及土壤微生物如何影響生態(tài)進程、維持和穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的研究還不夠深入。雖然目前的研究還不足以

25、讓我們認識土壤微生物的全部, 但土壤微生物作為巨大的基因資源庫, 其豐富的基因內(nèi)涵已經(jīng)表現(xiàn)出巨大潛力。對它的認識、研究和開發(fā), 無疑將給人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。對土壤微生物的研究不僅是探索生命的重要手段, 同時也為許多超常物質(zhì)的研究開發(fā)提供了豐富的資源。生物技術(shù)在土壤微生物研究中的應(yīng)用使許多抗菌、抗腫瘤、抗旱、抗鹽堿、生物殺蟲物質(zhì)合成相15張薇等:土壤微生物多樣性及其環(huán)境影響因子研究進展關(guān)基因的篩選和克隆成為現(xiàn)實。尤其是建立在非培養(yǎng)基礎(chǔ)上的土壤微生物總基因組文庫的篩選, 為植物保護學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和人體醫(yī)學(xué)等許多學(xué)科的研究提供了新的思路。同樣, 土壤AM 菌的發(fā)展和應(yīng)用也為保

26、護和恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究開辟了新的方向。隨著基因組時代的盛興和后基因組時代(功能基因組 的到來, 土壤微生物以其獨特的優(yōu)勢將更加受到研究者的青睞。其多樣性的研究將為闡明生態(tài)和生物進化原理提供新的模式, 同時也將為許多新興學(xué)科、交叉學(xué)科的發(fā)展開辟廣闊的前景。參考文獻1馬克平, 錢迎倩. 1994. 生物多樣性研究的原理與方法M .北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社. 2中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會學(xué)會部. 1996. 中國2000年發(fā)展問題探討M .北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,751763. 3王新, 李培軍, 鞏宗強, 等. 2001. 固定化微生物降解土壤中菲和芘的研究J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 12(4 :636638. 4

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