土壤微生物介绍

微生物在土壤养分循环中的作用,焦如珍中国林科院林业研究所,一、微生物在生物地球化学过程中的作用,土壤是一个固、液、气三相组成的高度异质环境，发育着丰富的微生物群落。土壤微生物代谢的多样性和耐受恶劣条件的能力使得微生物在土壤中分布广并且具有较大数量。,在1g土壤中几乎可以发现所有的微生物高级分类单元（Meyer1993）。每克土壤含有多于109个微生物（Torsciketal.，1990）。虽然微生物本身仅占土壤有机质的很小部分，但它是活着的有机体和物质转化的作用（Stevenson，1986），有机质转化所需能量的95%以上来自微生物的分解作用,目前已定种的微生物只有大约15万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%,微生物参与土壤生物化学过程、有机物的分解转化、菌根的形成、与植物互利共生以及对生物多样性和生态系统功能的影响等，在生态系统中起着举足轻重的作用。土壤微生物在C、N、P、K、S和其他元素的生物地化循环中起着重要的作用（KennethTodar，1998）。我主要介绍微生物在C、N、P、K循环中的作用,第一章、土壤微生物在C循环的作用,土壤有机质简介纤维素分解菌木质素分解菌,土壤有机质(soilorganicmatter),概念：土壤有机质(soilorganicmatter)土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。,微生物动物来源植物来源工农业副产品,一、土壤有机质的来源,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,第二节土壤有机质的分解和转化一、矿化过程与腐殖化过程1、矿化作用(Mineralization)*土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。,腐殖化过程:(Humification)*各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。,腐殖化系数*：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。,动画演示,图4-1有机质的分解与合成示意图,在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质-CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分解作用进行得既慢又不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。在极端嫌气的情况下，还产生CH4、H2等还原物质，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。,注意,（一）土壤生物的组成与活性土壤动物促进植物残体的破碎和运输真菌可促进木质素的分解细菌和放线菌可促进碳水化合物的分解,二、影响有机物质的分解和转化的因素：,（二）土壤特性1、质地粘粒含量越高，有机质含量也越高。2、pH值中性、钙质丰富较好，pH6.5-7.5。3.水分最适湿度：土壤持水量的50-80%低洼、积水有利于有机质的积累4.通气性通气不良易有机质累积5.温度最适宜温度大约为25-35,第三节土壤腐殖物质的形成和性质,、化学组成,我国主要土壤腐殖酸的元素组成,习惯上以58%为其平均值，故计算有机质的含量时，一般以1.724为折算系数。,3、含氧官能团,羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。,腐殖质的含氧官能团含量（mmolM）.kg-1,2、腐殖质的变异性HA/FA值*：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。一般我国北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/FA比大于1.0而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，HA/FA比一般小于1.在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA比大于旱地。在同一地区，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。,有机质改善土壤肥力特性1、物理性质：促进良好结构体形成；降低土壤粘性，改善土壤耕性；降低土壤砂性，提高保蓄性；促进土壤升温。2、化学性质：影响土壤的表面性质；影响土壤的电荷性质，影响土壤保肥性；影响土壤的络合性质；影响土壤缓冲性3、生理性质：影响根系的生长；影响植物的抗旱性影响植物的物质合成与运输；药用作用。,三、土壤有机质的管理$土壤有机质（碳）的动态平衡,土壤有机质含量并非可以无限提高，在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。,$如何提高土壤有机质含量？1、坚持两个原则平衡原则经济原则2.提高有机质含量的措施（1)合理耕作制度（退化或熟化）合理的耕作制度可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平。,主要的有机肥源包括：绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥、有机、无机肥料配合施用,2、施用有机肥,3.种植绿肥田菁紫云英紫花苜蓿等,绿休闲肥、套作绿肥养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,有机物质组成的碳氮比（C/N）对其分解速度影响很大。以25或30：1较为合适。C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中的有效氮，相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮，,2、C/N比*,动画演示,新鲜程度破碎程度紧实程度,（三）植物残体的特性,1、物理状态,研究纤维素分解菌的意义：纤维素量大:是地球上最大的多糖类物质，每年超过70亿吨利用率低：低水平利用：浪费严重：污染环境：,纤维素分解菌,纤维素分解菌筛选的实验设计,富含纤维素的土壤取样2.选择性培养基培养3.梯度稀释4.将样品涂布在含有羧甲基纤维素钠平板筛选5.印模6.刚果红染色7.筛选产生透明圈的菌落,纤维素分解菌的筛选：利用羧甲基纤维素钠平板筛选,纤维素降解菌的酶活性测定：利用DNS法对羧甲基纤维素酶活力、滤纸酶活力进行测定。,分解纤维素菌的筛选,刚果红水解圈,细菌,真菌,真菌,放线菌,细菌菌株9株，真菌菌株35株，放线菌菌株52株,小结,木质素的分解属于二次代谢,即微生物的生长繁殖阶段完成之后,才开始进行木质素的分解木质素的分解反应不表现通常的酶反应基质特异性和结构特异性能分解木质素的酶类不是诱导酶,即木质素不能诱导木质素分解酶类的形成木质素的分解主要是在微生物分泌的胞外酶的作用下,由菌体外或其表面上进行的各种氧化反应完成的。,木质素分解菌,木质素分解菌的筛选：利用苯胺蓝平板脱色法、愈创木酚变色圈法。,对照,木质素降解菌的酶活性测定：过氧化物酶LiP的测定、锰过氧化物酶MnP的测定、漆酶Lac的测定、虫漆酶、HRP、CDH等酶类,苯胺蓝脱色,细菌,真菌,真菌,放线菌,细菌菌株7株，真菌菌株60株，放线菌菌株10株,5.3.3木质素降解菌的筛选,Lip或Mnp,降解木质素的效果比较好主要是产木质素酶、漆酶、木质素过氧化物酶、纤维素酶的菌种，像白腐菌、褐腐菌和软腐菌等，具体的像是白腐菌中的黄孢原毛平革菌是研究最多的木质素降解菌，它的产酶情况和碳氮源有关。其它像白腐侧耳菌、粗毛栓菌等也有这种作用。另外有些产酶系广泛的芽孢杆菌也有这种作用，像枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等，但效果好像没有霉菌好,分解木质素的微生物种类：自然界参与降解木质素的微生物的种类有真菌、放线菌和细菌。其中，真菌能把木质素彻底降解为CO2和水。,降解木质素的真菌主要分为三类：白腐菌：白腐菌在木质素的生物降解中占有十分重要的地位。白腐菌多数是担子菌（Basidiomycetes2，少数为子囊菌。黄孢原毛平革菌是研究最多的木质素降解菌。云芝（Corilusversicolor）是一种非常重要的白腐菌，对木质素的降解能力较强。软腐菌：褐腐菌：,木质素微生物降解的意义木质素是自然界可再生的含量丰富的天然高分子聚合物，也是化学制浆工业中重要的废弃物和污染物。（1）将木质素的生物降解应用于生物制浆及造纸废水的处理，不仅可以极大地改善造纸工业的环境污染问题，还有利于减少能耗创造经济价值。（2）应用于造纸工业木素酶的生物漂白技术是通过生物木素酶直接作用于纸浆的残余木质素，并使之发生降解溶出，从而有利于纸浆的进一步漂白。（3）应用于化工产品木质素微生物降解有可能使其转化为重要的化工产品、微生物蛋白饲料或有机肥料，使其变废为宝。,第二章土壤微生物与土壤N的循环,大气氮：约1015吨N2,雷电、车辆尾气等占10%,生物固氮占65-70%，其中根瘤菌固氮占60%,土壤氮,工业固氮约占20-25%,一、土壤中N的来源,土壤微生物与土壤N循环,土壤微生物与土壤N循环,硝化作用:好氧时,土壤微生物与土壤N循环,固氮作用,N2,NH3,氨化作用:,有机氮,NH4+SO42-+H2O,反硝化作用：在无氧条件下，硝酸盐还原成N2O或N2。同化作用：无机氮转化成有机氮,两类细菌,亚硝酸细菌：,NH4+,NO2-,硝化细菌：,NO2-,NO3-,二、土壤微生物与土壤N循环,根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。自生固氮自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）。共生固氮共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。联合固氮有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。,土壤微生物与土壤N循环,根瘤菌(rootnodulebacteria）是与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。已知全世界豆科植物近两万种。根瘤菌是通过豆科植物根毛、侧根杈口（如花生）或其他部位侵入根瘤菌，形成侵入线，进到根的皮层，刺激宿主皮层细胞分裂，形成根瘤，根瘤菌从侵入线进到根瘤细胞，继续繁殖，根瘤中含有根瘤菌的细胞群构成.我国拥有的豆科植物约为690属，17600余种,根瘤菌简介,现在根瘤菌在豆科作物上应用面积法国50%以上美国75%印度30%阿根廷70%中国不足1%。,国内外根瘤菌使用情况,根瘤菌简介,不同豆科植物的固氮量,6.木本豆科植物根瘤菌研究的重要性,根瘤菌,起步晚（1939年）起点高收集菌种资源少研究肤浅表型多样,木本豆科植物根瘤菌研究现状,海红豆的根瘤,根瘤消毒后解剖,在YMA培养基上划线,木本豆科植物根瘤菌采集及分离方法,木本豆科植物根瘤菌研究-分类鉴定,数值分类全细胞蛋白电泳、酶电泳DNA指纹图谱:rep-PCR;AFLP.16SrDNAPCR-RFLP、16S-23SrDNA间隔序列、16SrDNA全序G+Cmol%及DNA-DNA同源性分析,木本豆科植物根瘤菌研究结果-分类鉴定,研究过的木本豆科植物根瘤菌已经涉及了7属：1.Rhizobiumspp.2.Brandyrhizobiumspp.3.Sinorhizobiumspp.4.Mesorhizobiumspp.5.Methylobacteriaspp.（甲基杆菌属）6.Burkholderiaspp.7.Rolstoniaspp.,抗逆性研究-耐盐,根瘤菌在不同NaCl浓度下的生长势(OD600nm)（“”表示没有生长）,木本豆科植物根瘤菌研究结果-耐盐,抗逆性研究-耐高温,热带根瘤菌在不同温度梯度下的生长势(OD600nm)（“”表示无菌生长）,木本豆科植物根瘤菌研究结果-耐高温,热带根瘤菌在酸碱处理条件下的生长势(OD600nm)（“”表示无菌生长）,抗逆性研究-耐盐碱,木本豆科植物根瘤菌研究结果-耐酸碱,抗逆性研究-耐重金属,木本根瘤菌研究结果豆科植物-耐重金属,木本豆科植物根瘤菌研究结果-