土壤微生物多样性及其环境影响因子研究进展

1、土壤微生物多样性及其环境影响因子研究进展3张薇1,2魏海雷3高洪文133胡跃高2(1中国农业科学院畜牧研究所, 北京100094; 2中国农业大学农学与生物技术学院, 北京100094; 3中国科学院微生物研究所, 北京100080摘要土壤中存在丰富的微生物资源, 不同土壤系统具有不同的微生物群落, 微生物多样性既依赖于生态系统又服务于生态系统。本文从物种多样性、遗传多样性、生态类型多样性、功能多样性四个方面对土壤微生物多样性进行了新的诠释, 总结论述了土壤微生物多样性与环境因子如土壤、植物群落和气候条件之间的关系, 并对目前存在的问题和今后面临的挑战提出几点看法。关键词土壤, 微生物, 多样

2、性, 环境因子中图分类号Q93文献标识码A 文章编号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国家高技术发展计

5、划资助项目(2002AA241091 。33通讯作者收稿日期:2004-03-05改回日期:2004-05-261引言土壤圈是地球系统的组成部分, 土壤微生物是土壤中最活跃的部分, 是土壤分解系统的主要成分, 在推动土壤物质转换、能量流动和生物地化循环中起着重要作用。近年来由于对自然资源的掠夺式开发, 使得生物多样性遭到严重破坏, 生态系统渐趋波动。而土壤微生物作为稳定生态系统, 监测土壤质量变化的敏感指标, 其多样性研究在评价生态系统、维护生态平衡中发挥了巨大作用, 因此越来越多的学者将目光投向土壤微生物多样性的研究和保护, 目前的研究主要集中于多样性特征分析和环境因素对多样性的影响两个方面

6、, 此外还包括新的研究方法的不断探索, 本文将主要对前两方面进行阐述。2土壤微生物多样性微生物的物种资源极其丰富, 是地球上仅次于昆虫的第二大类群生物, 微生物多样性的研究是整个生物多样性研究的重要组成部分22。广义上讲,生物多样性可以理解为生物物种的多样化及其变异的程度和广度。但长期以来, 微生物多样性的研究层次一直是众说纷纭。DeLong 27认为生物多样性应从物种多样性、遗传(基因 多样性和生态系统多样性三个层次上综合表述。马克平等1认为生物多样性可分为物种多样性、基因多样性、生态系统多样性和景观多样性四个层次。Solbrig 35对微生物群落多样性进行剖析后提出3个组成要素:物种多样性

7、、遗传多样性和功能多样性。而Watve 等39则认为, 微生物多样性可细致划分为生活环境多样性、生长繁殖速度多样性、营养和代谢类型多样性、生活方式多样性、基因多样性和微生物资源开发利用多样性等。但不论如何划分, 如果将土壤微生物的多样性与整个生态系统联系起来, 都可以从物种多样性、遗传多样性、生态特征多样性和功能多样性4个方面全面的概括土壤微生物多样性的基本特征。生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2005, 24(1 :4852211物种多样性土壤微生物物种的多样性是多样性研究中最基本的内容。土壤微生物包括原核微生物如细菌、蓝细菌、放线菌以及超显微结构微生物, 真

8、核微生物如真菌、藻类、地衣和原生动物等。据文献记载,1g 农田土壤中含有几百万细菌、数十万真菌孢子和数万个原生动物和藻类24。研究证实, 土壤中原核生物的数量最多, 约为216×1026个细胞, 所含有的N 、P 与陆生植物相当4。真菌、藻类和原生动物的数量较原核生物要少得多。对甘肃环县草地可培养细菌分离后发现, 平均每1g 土壤有65个不同的细菌种群, 细菌总量为4151×1091174×1010cfu g -1土壤12。对美国威斯康星农田土壤的微生物多样性分析表明, 约98%的物种属于细菌, 其中1611%属于原细菌(proteobacteria , 2118

9、%属于Cytophaga 2Flexibacter 2Bacteroides 类群, 另有2118%属于低G +C 含量的革兰氏阳性菌32。但遗憾的是, 由于研究方法和人们认知能力的局限, 目前土壤中仍约有80%99%的微生物还未被认识和鉴别23,29, 研究推算, 细菌、例分别为5、104在揭示自然界微生物群落结构、生态功能及其相互关系研究中的最大障碍。因此, 以细胞学和形态学为基础的传统微生物生态学在某些方面的局限性, 最终导致微生物多样性及生态学研究一直落后于其他生物的研究水平。但随着分子生物学的理论与技术在微生物生态学研究中的不断渗透, 土壤微生物多样性的研究有了新的突破, 其结果更趋

10、于真实, 大量未被认知的微生物新物种及其新功能得到鉴定和应用。212遗传多样性遗传多样性是生物多样性的基础和最重要的成分, 是生物携带遗传信息的总和。从本质上讲, 生物多样性源于遗传的多样性。遗传多样性可用来描述种群遗传变异和研究维持变异的机制, 遗传变异可以在形态、细胞和分子水平上体现。微生物遗传多样性在分子水平上体现主要是由于遗传物质的碱基排列顺序的多样性和组成核酸分子的碱基数量的巨大性。此外,DNA 复制中出现的碱基或碱基对变化, 双链DNA 、单链DNA 、双链RNA 和单链RNA 等多种遗传信息的存在, 转导、转化和接合及准性生殖等微生物特有的基因重组现象, 使微生物遗传的多样性大大

11、扩展, 也为微生物遗传变异、系统进化提供了多样化手段。微生物正是通过更换遗传物质使自身不断的发生变化, 从而适应不同的生态环境。分子生物学相关技术的应用为研究土壤微生物遗传多样性带来了新的契机。原来建立在实验室培养基础上的形态学和细胞学研究逐渐在向不依赖于培养的分子生物学和分子遗传学研究转换。目前的研究充分说明, 微生物多样性在基因水平上主要表现为基因组大小和基因数目的多样性, 遗传物质化学组成的多样性和某些特异性序列的变异6。相对于真核生物来说, 土壤原核生物的基因组要小得多, 其DNA 的化学组成也有差异。经DNA 2DNA 杂交,DNA 指纹图谱分析,AFL P , RAPD 等分析可以

12、反映不同菌株之间的DNA 相似程度。原核生物核糖体亚基与真核生物核糖体转录间隔区因其在遗传进化上的保守性, , 26, 硝酸盐2140, 甲烷细菌的x aF 30都被用来进行遗传多样性分析。随着微生物基因组全序列测定和生物信息学的迅猛发展, 土壤微生物遗传背景的多样性将会得到更全面详细的解析。213生态类型多样性生态系统由植物群落、动物群落、微生物群落及其生境的非生命因子(光、空气、水、土壤等 所组成。群落内部、群落之间以及与生境之间存在着复杂的相互关系。顾名思义, 土壤微生物生态类型多样性就是指不同类型生态系统中土壤微生物组成上的差异。在地球上的各个区域, 即使有相似的自然条件, 也存在着多

13、种多样的生态系统。中国位于欧亚大陆中部, 国土辽阔, 气候及地貌类型复杂, 河流纵横, 湖泊星布, 海岸线长, 这种复杂的自然条件便产生了极其多样化的生态系统类型。如森林、灌丛、草甸、沼泽、草原、荒漠及冻原等陆生生态系统, 各类河流、湖泊和海洋等水生生态系统。土壤微生物多样性则表现为远到高寒极地、高山冻原、悬崖峭壁、火山岩, 近到森林、沙漠、草原、农田、牧场等各种生态系统的多样性。对塔克拉玛干沙漠腹地土壤微生物的研究显示:流沙上微生物数量很少, 约为20578cfu g -1土, 而人工绿地的微生物数量显著增加。微生物组成中细菌占总的微生物含量的90%, 其次是放线94张薇等:土壤微生物多样性

14、及其环境影响因子研究进展菌, 真菌数量最少14。对高黎贡山土壤微生物调查结果为:生物总量约为319×106cfu g -1土壤, 最高值出现在海拔2000m 左右, 其植被下土壤微生物的数量和多样性最高, 随海拔升高或降低趋于下降8。据分析, 土壤微生物随海拔高度的变化与生态因子呈不同程度的相关性。对南极长城站地区土壤微生物的多样性分析结果显示:氨化细菌主要集中在7个属, 固氮菌仅有1个固氮菌属, 硝化细菌有2个属, 反硝化菌3个属, 放线菌3个属, 真菌主要集中在5个属10。214功能多样性微生物与生物环境之间的关系是极其复杂和多样化的, 有互生、共生、寄生、捕食和拮抗等。如土壤中

15、某些芽孢菌分解代谢枯枝落叶; 豆科植物根瘤中的根瘤菌和某些非豆科植物“根瘤”中的放线菌的固氮作用; 一些高等植物根系与真菌的共生联合形成的菌根菌; 蛭弧菌致使寄主死亡等; 某些生防微生物的防病防虫和促生作用等。促成土壤形成。同时, 的C 、N 、P 、S , , 近年来由微生物制造的微生物肥料正日益成为农业生产的一类重要肥源。目前国际上至少有70多个国家在研究、生产和应用微生物肥料2。我国微生物肥料种类有固氮菌肥、磷细菌肥、钾细菌肥、复合微生物肥料等。与化肥、有机肥相比, 微生物肥料在土壤肥力的维持、环境保护与土壤生态系统平衡等方面具有不可比拟的优势, 减少了化学物质的污染, 有益于人类的生存

16、与健康。土壤中植物根围促生菌(plant growth 2promoting rhizobacteria , P GPR 和共生菌产生的抗生素(脂肽抗生素、多肽抗生素等 、细菌素、几丁质酶、葡聚糖酶、抗菌蛋白、挥发性抗菌物质以及植物激素等具有促进植物生长, 防治土传病害的作用37。土壤真菌与植物根形成的共生体菌根, 可以促进寄主植物养分吸收, 增加植物抗盐碱能力17, 维持植株健全的生理状态。2001年起日本已经启动与高等植物共生、共存的内生真菌等陆地微生物资源的开发利用13。地球上每年由生物固定的氮约为1175×108t , 其中在农田中固定的氮约9×107t 。因此受到

17、全世界科学家和政府机构的极大重视和支持。今后应继续深入开发固氮微生物新资源, 寻找新的固氮微生物和能应用于主要作物、绿肥、饲料牧草及林、木等各种类型高效固氮系。土壤微生物通过生物降解作用可对废水、城市垃圾、工业废弃物、污泥等污染物进行处理与净化, 还可通过与受污染的环境互作, 产生监测指示环境污染程度的信息, 从而监控环境变化, 这方面已有很多报道。如中国科学院沈阳应用生态研究所利用固定化微生物降解土壤中菲和芘, 以期开发出一条提高对土壤污染多环芳烃降解率的新途径, 并取得了初步成功3。对有益微生物资源的开发利用, 如抗病虫害的农用抗菌素和杀虫剂; 医药用的青霉素、链霉素等抗菌素; 轻工产品蛋

18、白酶制剂、谷氨酸、多糖、食用菌等; 微生物发酵生产的燃料乙醇以及天敌生物等的开发研究与产业化, 将极大的方便人们的生活。不, , 能。样性和功能多样性, 带来生态系统的稳定性。我国气候多样, 地形复杂, 为研究土壤微生物多样性提供了很好的客观条件。3环境因素对土壤微生物多样性的影响311土壤条件土壤是微生物生活的场所, 由于受土壤条件、植物群落和气候条件等因子的影响, 微生物的种类、数量和动态分布, 将会按照一定的生态规律产生各种差异。研究报道, 土壤经15d 干旱后, 细菌总数下降近90%, 非芽孢细菌和球菌近乎消失, 而产芽孢细菌亦剩1/3。土壤酸碱度对微生物数量影响显著, 真菌在酸性土壤

19、中多, 细菌和放线菌在中性或碱性土壤中数量较多。而研究发现, 长期施用农肥的土壤表现较高的酶活性、微生物生物量和微生物活性28。对6种土地利用方式下的土壤微生物数量与肥力关系的研究发现, 从多样性指数来看, 粮作旱地>菜地>果园>荒地>水稻田>鱼塘底泥19。姚槐应等15用碳素利用和磷酸酯脂肪酸法研究了8种供试红壤微生物群落的功能多样性和结构多样性, 两种方法均表明土地利用方式能显著影响微生物的5生态学杂志第24卷第1期多样性。研究川西北退化草地土壤微生物数量发现, 微生物种类与数量有随退化程度增高而减少的趋势7。在不同耕作栽培方式对微生物区系影响的研究中, 有研究

20、报道:人参与紫穗槐轮作, 土壤真菌、放线菌及细菌均有变化, 而细菌种群类型变化最明显, 随着轮作年限的增加, 氨化细菌和硝化细菌的数量比对照高几倍, 固氮菌的数量亦有所增加9。在连作地植物病害调查研究中发现, 多年连种小麦后全蚀病出现自然衰退现象, 究其原因主要是由于土壤中荧光假单胞杆菌等有益细菌数量增多抑制了全蚀病菌的生长25。少耕或免耕会促进那些以食真菌为主的原生动物和线虫等土壤原生虫系的发展, 而常规耕作通常有利于那些生命周期短、代谢率高和扩散迅速的生物繁殖34。312植物群落从微生物群落多样性的全球格局来看, 植物群落类型初步决定了微生物群落的组成, 植被通过影响土壤环境, 性。定微生

21、物群落, 生物群落明显不同16。原始森林遭破坏后, 土壤放线菌的种类按次生林、荒地、旱地的顺序减少5。在对甘肃环县的草地植被类型与根际细菌关系的研究中观察到, 不同牧草根际细菌数量、种类、优势种群均存在差异2。陈文新11研究土壤杆菌属(A grobacteri um spp. 发现, 许多种明显集中在植物的根际, 根际土壤中的土壤杆菌比非根际土壤高1000倍, 且沙土有利于它们的生长。而且土壤细菌的代谢活性和代谢多样性随着植物数量的对数和植物功能组的数量而直线上升38。此外植被的多样性对土壤微生物C 、N 源的利用也具有重要影响。从不同土壤及覆盖其上的植被与土壤微生物群落结构和多样性的关系来看

22、, 植被使土壤中的微生物种类更丰富, 群落多样性更高, 表层土壤微生物没有明显的优势种群, 种间竞争作用较弱18。还有研究认为森林土壤微生物的数量与树种、林木根际的距离、土壤有机质含量等因子有关20, 马尾松林中土壤微生物数量几乎是杉木林的20倍, 微生物数量与土壤有机质含量呈正相关。313气候影响我们生活的地球上有多种多样气候类型, 由此形成的复杂自然条件影响土壤微生物的生态分布。特别是在高寒极地、高山冻原、热带雨林等各类土壤中, 土壤微生物扮演了主要生物因子。而在高温、高盐、高碱、高压和低温、低p H 的极端环境中, 土壤微生物更是发挥了不可替代的作用。如酸热芽孢杆菌(B acill us

23、 aci docal dari us 的大多数菌株在6575还能生长, 在40下停止生长; 温暖、干燥气候条件下土壤曲霉属占多数, 寒冷地方毛霉和青霉属为主, 多湿地方木霉属最多。在各种气候带中, 热带占有突出的地位。只占世界陆地总面积7%的热带森林, 却拥有世界50%以上的物种5。此外生长于土壤中的某类嗜热菌, 在高达112环境中能产生甲烷, 嗜碱菌必须在p H 高于8的环境中才能生存, 专门在盐性环境中存活的嗜盐菌, 嗜低温的食用菌菌种等等, 目前此类大多数微生物利用价值未知, 但其理论价值是肯定的。4, 。微生物存在于土壤生态系中, 就必然受生态类型的影响。在不同生态系统中, 面对生存竞

24、争和自然选择压力, 不同物种在系统发育和进化过程中逐步形成稳定遗传。在一个相对稳定的遗传背景下, 不同微生物物种各司其职, 共同维护生存环境的稳定发展。正是在这种选择、竞争、适应的不断交替过程中形成了土壤微生物的多样性。虽然不断有新技术新手段应用于土壤微生物多样性的研究, 但由于培养技术的局限性, 大量不可培养的微生物还很难确定其分类地位, 可供我们认识和利用的微生物活体资源仍然匮乏。当前对土壤微生物多样性的研究稍然较集中于其物种和生态特征, 而对土壤微生物功能多样性, 对土壤微生物不同种群之间的关系, 以及土壤微生物如何影响生态进程、维持和稳定生态系统的研究还不够深入。虽然目前的研究还不足以

25、让我们认识土壤微生物的全部, 但土壤微生物作为巨大的基因资源库, 其丰富的基因内涵已经表现出巨大潜力。对它的认识、研究和开发, 无疑将给人类带来巨大的经济效益和社会效益。对土壤微生物的研究不仅是探索生命的重要手段, 同时也为许多超常物质的研究开发提供了丰富的资源。生物技术在土壤微生物研究中的应用使许多抗菌、抗肿瘤、抗旱、抗盐碱、生物杀虫物质合成相15张薇等:土壤微生物多样性及其环境影响因子研究进展关基因的筛选和克隆成为现实。尤其是建立在非培养基础上的土壤微生物总基因组文库的筛选, 为植物保护学、植物营养学、环境科学和人体医学等许多学科的研究提供了新的思路。同样, 土壤AM 菌的发展和应用也为保

26、护和恢复生态学的研究开辟了新的方向。随着基因组时代的盛兴和后基因组时代(功能基因组 的到来, 土壤微生物以其独特的优势将更加受到研究者的青睐。其多样性的研究将为阐明生态和生物进化原理提供新的模式, 同时也将为许多新兴学科、交叉学科的发展开辟广阔的前景。参考文献1马克平, 钱迎倩. 1994. 生物多样性研究的原理与方法M .北京:中国科学技术出版社. 2中国科学技术协会学会部. 1996. 中国2000年发展问题探讨M .北京:中国农业科技出版社,751763. 3王新, 李培军, 巩宗强, 等. 2001. 固定化微生物降解土壤中菲和芘的研究J.应用生态学报, 12(4 :636638. 4

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