土壤微生物多样性的主要影响因素

土壤微生物多样性的主要影响因素 汪海静 ,吉林农业大学,吉林 长春 130000, 土壤微生物是土壤生态系统的主要组成部分,而且不同的土壤具有不同的土壤微生物群落。影响土壤微生物多样性的因素摘要, 很多,主要可以分为自然因素和人为因素。本文将从土壤微生物多样性的影响因素的两个方面阐述目前国内外土壤微生物多样性的研究 现状。 关键词,土壤微生物,微生物多样性,影响因素 X53A1007-0370,2011,1,2-0090-02中图分类号, 文献码, 文章编号, The Main AffectingFactors of Soil MicrobialDiversity Wang Haijing ,Ji Lin Agricultural Vniversity,Chang Chun 130000, Soil microorganisms are important components of soil ecosystem. Various microbiain eacl communitieh type of sois l ecosystem.Abstract, There are many factors affecting the soil microbial diversity including natural factorshThi ansd pape humar introdn factorsuce. s current the development of affecting factors of soildiversity. microbial Keywords,soil microbial,microbial diversity,influence factors 土壤微生物系统作为稳定生态系统,是保证动植物生存、农研究都证明不同植被类型、同一植物不同基因型间、同一基因型 [1][7]业健康、持续发展的基础。在一定程度上地球生态系统的变化与 。通过这些研究 不同发育阶段的根际土壤微生物多样性均有不同土壤微生物群落的变化密切相关。研究土壤微生物多样性的变化 可以说明植物的根际土壤微生物多样性有时间和空间性,不仅随 情况对评价生态系统、维护生态平衡有着十分重要的意义,因此 着植物类型的改变而改变,还随着植物的生长发育过程而变化。 土壤多样性的研究得到了广泛学者的关注。 总体来说,植物可以影响微生物群落结构,植被通过影响土 影响土壤微生物群落的结构组成和多样性的因素可大体分成 壤环境,从而影响土壤微生物群落结构和多样性。土壤微生物多 [8]自然因素和人为因素两大类。自然因素包括土壤类型、温度、水 样性与土壤上的植物群落多样性呈正相关。因此,植物与土壤微 分、植被等,人为因素包括土壤的耕作方式、农药的施用、施肥 生物群落之间的是一个长期综合形成的结果。 的施用等。本文将分别对几种有代表性的土壤微生物多样性影响 1.3 气候类型 由于不同的气候类型形成了复杂的自然条件从而影响了土壤 因素加以阐述。 微生物的生态分布。其中温度和水分对土壤微生物多样性的影响 1 自然因素 [9]存在交互性,具有协同效应。这样我们可以用季节来表示不同温 1.1 土壤类型 地球上土壤类型是多种多样的,不同土壤类型中的微生物群 度和水分对土壤微生物多样性的影响情况。通过应用Biolog法Liu [10]落结构及组成也是千差万别的。目前来许多的研究都表明土壤类 等对美国新墨西哥州北部的沙漠牧场中的土壤微生物功能多样 型是土壤微生物群落结构的主要影响因素之一。例如,Gelsomino 性的进行了研究,结果说明多样性在夏季最高,春季最低。陈珊 [2] 等通过比较不同地理位置的16种土壤微生物DGGE图谱发现土壤等人也对东北羊草草原微生物生物量的进行了季节性的,表 [3]类型是决定土壤微生物群落结构的主要因素。杨超等研究了我国 明随着温度的升高,湿度加大,微生物生物量增加, 8月中旬左 [11]皖南烟区四种不同植烟土壤类型在烟叶生长期内的微生物种类、 右达到最高峰。 数量变化情况。其结果表明了在不同的土壤环境下土壤微生物的 另外,土壤微生物的季节性变化还受到干湿条件的影响。土 [12]数量和土壤养分含量呈正相关关系。这同时也说明了土壤类型在 壤渍水或干旱都会引起土壤微生物数量的变化。Joshua等研究了 土壤微生物多样性方面具有一定的影响力。 桦树凋落物分解过程中湿度对微生物活性和群落结构的影响,发 现干燥可以导致微生物量减少,微生物群落结构发生变化,特别 1.2 植被情况 是潮湿和干燥的时间长短对土壤微生物影响很大。 生态系统中的植被可以通过影响土壤的含水量、通气性、温 度、pH值等因素从而改变土壤的微生物组成结构。Waid认为植被 2 人为因素 的类型、数量和化学组成可能是土壤生物多样性变化的主要推进 2.1 土地利用方式 [4]力量。通过对美国北部泥炭地生态系统中土壤微生物活性和功 不同土地利用方式对土壤的理化性质具有一定程度的影响而 引起土壤结构的变化,进而影响土壤肥力、土壤微生物量及土壤 能类群组成的研究,Melany等发现植被类型影响土壤微生物活性 [5][6]及功能类群。韩芳等对我国内蒙古三种不同植被类型的土壤微 微生物多样性等指标。姚槐应等用磷酸酯脂肪酸法和碳素利用两 生物类群和多样性指数、丰富度、均匀度等进行了研究。结果表 种方法对八种红壤的微生物群落的功能多样性和结构多样性进行 明,草地上土壤微生物类群多于灌木和乔木,并且土壤微生物类 了研究,结果均表明土地利用方式可以显著影响微生物的多样性 [13]群的多少和土壤微生物多样性具有一定的正相关性。 。但是通过对六种土地利用方式下的土壤微生物数量与肥力关 目前应用新的研究方法都表明植物的多样性与根际土壤微生 系研究,章家恩等发现土壤微生物量多少和土壤微生物多样性指 [14]物有关。应用Biolog法、16SrRNA 分析、PCR-DGGE等方法开展的 数变化并不一致。这个方面有待今后更进一步的研究发现。 坏,生物多样性逐渐丧失,生态系统稳定性逐渐减弱,资源日益 2.2 耕作方式 同样的耕作方式也可以可显著的改变土壤理化性质而引起土 枯竭,这些情况最终将威胁到人类自身的可持续发展,因此,保 壤结构变化,进而影响土壤微生物群落多样性变化。在这个方面 护生物多样性、维持全球生态系统的稳定性已成为全球人民的共 [15]同目标。 也有许多学者进行了研究。例如,Lupwayi等研究了耕作方式 其中,土壤微生物与全球生物化学循环、全球生态系统的稳 对土壤微生物多样性的影响时发现,对于偏酸、有机质较低的土 定有着十分密切的关系。通过研究土壤微生物多样性的影响因素 壤,传统耕作可以降低土壤微生物多样性,而对中性、有机质丰 [16]可了解土壤微生物和土壤环境条件的改变及人类对土壤的利用之 富的土壤,耕作方式并没有显著的影响。Schutteanr d Dick研究 间联系,为农业的可持续发展的研究和土壤生态环境的保护提供 表明,传统的精细耕作方法使得土壤细菌在不同粒径的土壤团聚 理论依据。 体颗粒中的多样性没有差异。翻耕使得土壤微生物多样性没有出 但是,由于培养条件与实际环境的差异传统的稀释平板培养 现明显变化。再有,有学者指出土壤耕作可能造成土壤结构的恶 法只能测定很少一部分的土壤环境微生物。近年来,一些非培养 化,降低底物丰度和均匀度,对土壤微生物动力学有负而影响, [17]微生物分析法例如,Biolog法、分子生物学法、磷脂脂肪酸(PLFA) 从而显著 (P<0.05)降低土壤细菌多样性。 等方法的发展为微生物多样性的研究开辟了新的途径。人们通过 2.3 种植 许多研究表明种植制度同样对土壤微生物多样性具有一定的 使用这些现代研究方法,能够获取土壤微生物群落的更全面更完 影响。其中连作使土壤微生物区系发生变化,各类微生物数量增 整的信息,能够比较完全地了解自然环境和人类活动与土壤微生 [18]加,以真菌、硝化细菌、反硝化细菌数量明显增加。轮作则可 物多样性中间的相互关系。虽然,目前的研究还不足以让我们认 能比栽培单一作物更有利于维持土壤微生物的多样性,并可抑制 识到其中全部的联系,但土壤微生物作为人类巨大的资源库,其 在单一作物的系统中易繁衍的有害微生物,从而可以提高农作物 丰富的内涵与其重要性已经表现来了。通过对它的认识、研究和 产量。通过实验吴凤芝等发现连作的土壤对黄瓜生长发育产生抑 开发,无疑将给人类带来巨大的环境效益、经济效益和社会效 [19]益。 制作用,土壤灭菌后则可以显著减轻或消除这种抑制作用。这 个研究说明种植制度可以通过改变土壤中的微生物群落而影响作 [20]物的生长情况。同样的尹睿等研究了嘉兴市三种类型水稻土在 参考文献 由稻-麦(油)轮作改作露地一些情况后也发现土壤微生物数量发生 [1] PimentalD, Stachow U,TakacsD A,et al,Conserving biologicl a了改变。 diversityin agricultural /forest systems[J].Biosphere,1992,42354-362. : [2] Gelsomino A,Keijzer-WolterG,etal,Assessmens t of bacterial 2.4 农药 除草剂、杀菌剂、杀虫剂等农药和土壤中其它的物质一样能community structure in soil by polymerase chain reactiondenaturing and 够被土壤中的微生物或其分泌的酶降解,从而刺激或抑制了土壤 gradient gel electrophoresis[J].Microbiology Methods,1999,38:1-15. 中微生物的活性,引起土壤微生物多样性的变化。 [3] 杨超,刘国顺,邱立友等,不同植烟土壤微生物数量调查研究 Novka等研究发现除草剂与土壤微生物量呈负相关性,尤其是[J]. 中国烟草科学,2007,28(5):31-36. 在水热条件不好的情况下,增加除草剂的量和多次使用会使土壤 [4] Waid J.S,Does soil biodiversity depend upon metabiotic [21]微生物量减少,从而使土壤微生物群落结构发生改变。罗海峰activit y and influences.[J ] .Applied SoiEcology,1999,13:151l 158.- 等通过实验发现在农田土壤施用不同浓度的乙草胺后,可培养的 [5] Melany CF , Kristin FR, Joseph BY,Microbia l activitand y [22]异养细菌的多样性和细菌物种多样性均降低。Sigler和Turco对杀functional composition among northern peatland ecosystems[J].SBiol and oil 菌剂百菌清在草坪、森林和农业土壤上的应用进行研究,结果表Biochem, 2003, 35(4):591-602. [23]明百菌清使土壤细菌和真菌的群落结构都发生了改变。还有一 [6] 韩芳,邵玉琴.黄甫川流域不同土地利用方式下的土壤微生 些研究表明,在经过杀虫剂处理过的土壤中,土壤微生物的数量 物多样性[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2003,34(3):298-303. 和优势种群没有显著变化,但是微生物对底物的利用速率却有所 [7] 周桔,雷霆.土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状 [24]增高。这些研究成果都说明了农药这个作为土壤的外来物质对 与展望[J].生物多样性,2007,15(3):306-311. 土壤微生物多样性具有一定程度的影响。 [8] 张薇,魏海雷,高洪文等.土壤微生物多样性及其环境影响 因子研究进展[J].生态学杂志,2005,24(1):48-52. 2.5 施肥 化肥的施用不仅直接影响土壤化学成分变化,引起土壤微生 [9] 周才平,欧阳华,温度和湿度对长白山两种林型下土壤氮 物活性的变化而引起土壤微生物群落结构改变,同时,化肥还能 矿化的影响[J].应用生态学报,2001,(4):505-508. 改变土壤的物理性状,影响土壤上植被的生长,从而间接的影响 [10] Liu XY,Lindemann WC,WhitforWG,ed t al,Microbial 土壤微生物群落结构。 diversity and activity of disturbed soil in the northern Chihu ahuan [25]李东坡等以东北地区黑土为研究对象,对玉米生长季土壤desert[J].Biology and Fertility of Soils,2000,32:243-249. 微生物生物量碳进行动态研究,结果发现施用有机肥的土壤,其 [11] 陈珊,张常钟,刘东波等.东北羊草草原土壤微生物生物量 [26] 微生物生物量碳显著高于施用化肥和不施肥的土壤。李秀英等的季节变化及其与土壤生境的关系[J].生态学报,1995,15(1):91-94. 研究潮褐土时发现长期单施一种化肥与长期不施肥比较,土壤中 [12] Joshua PS , Jay MG , Joy SCC,e t al.Moisture effects on 微生物数量有一定程度的增加,其中氨化细菌、硝化细菌这些菌microbia l activity and community structure in decomposing birch litter in the [27]群数量增加幅度较大。Sarathchandra研究发现,施用尿素后等Alaskan taiga[J] , Soil Biol. Biochem,1999,31(6):831-838. 土壤微生物功能多样性显著降低,但施用磷肥对土壤微生物群落 [13] 姚槐应,何振立,黄昌勇.不同土地利用方式对红壤微生物 多样性并无显著影响。总之,施肥对土壤微生物多样性影响可能 多样性的影响[J] .水土保持学报,2003,17(2):51-54. 与肥料的种类、施用方式等很多因素有关,情况比较复杂。 [14] 章家恩,刘文高,胡刚.不同土地利用方式下土壤微生物数 量与土壤肥力的关系[J].土壤与环境,2002,11(2):140-143。 3 总结 [15] Lupwayi NZ,ArshaMA,Ricd e WA,ClaytonGW,Bacterial 由于人类对自然环境、自然资源的过度开发和利用,使得 地球上数以万计的物种消失或濒临灭绝,自然生境遭受了严重破 diversityin water-stableaggregates of soils under conventional and zero ,下转第118页, 促进了废水进一步后续生化处理的运行稳定性。泥处理抗生素废水的最佳工艺条件,COD去除率可达80.57%。 3.2 处理技术 3.5 化学制药废水的处理 化学制药废水的处理多数采用单一生化法处理不能彻底解决 3.2.1 好氧生物处理技术 是指废水中的溶解性有机物在好氧微 生物作用下转化成不溶性可沉的微生物固体和一部分有机物, 问题,必须进行必要的预处理。首先设调节池,调节水质水量和 从而使废水得到净化的过程。如采用逐步提高有机负荷盐浓度 pH,且根据实际情况采用特定物化或化学法进行预处理,提高废 的方法,驯化出耐高浓度盐污泥,在进水NaCl质量浓度为2.68 ×水的可降解性,以利于废水的后续生化处理。预处理后的废水, 4410-4.72×10mg/L之间时,保持较高的污泥浓度可使反应器COD 可选取某种厌氧和好氧工艺进行处理,如采用微电解,厌氧水解 3容积负荷达到0.6kg/(m.d),COD和苯乙酸去除率达到95%以上。 酸化,SBR串联工艺处理化学合成制药废水,原废水BO/CODD 约 5 为0.13,属难生物降解废水,经微电解,厌氧水解酸化处理后, 3.2.2 生物接触氧化法 如采用生物接触氧化处理医药中间体 TMBA废水,最高进水COD控制在1600mg/L左右,COD去除率高达 出水BOD/COD可达0.63,可生化性大大提高。 590%左右。 在进行SBR处理时,维持SBR进水COD在1500mg/L左右,污 泥负荷为0.5kgCOD/(kgMLSSd),曝气8-10h,出水COD可以降低至 AB法属超高负荷活性污泥法,如采用A-B二段法处3.2.3 AB法 -1理环氧丙烷皂化废水,COD去除率可达80-86%。200mgL以下。如采用吹脱,厌氧,好氧串联工艺处理含有氯霉 素、抗菌素增效剂和磺胺新诺明的合成制药废水,经吹脱和厌氧 3.2.4 SBR法 SBR法如采用SBR法对药物合成废水预处理出 水解酸化处理后,COD去除率为70%,再经好氧生化系统处理, 水, COD去除率可达60%。 进水COD为2000-2500mg/L,可生化性为0.2,出水COD降到 200mg/ L以下,COD去除率达到90%左右。 4 结语 化学制药废水是一种成分复杂、毒性高、含难降解有机物质 3.2.5膜生物反应 器 膜生物反应器(MBR)是近年来一种迅速发展的 的有机废水,目前的处理方法有预处理-生物处理。工程应用以单 废水生物处理技术。该项新型技术是将污水的生物处理技术和膜过 元处理为主,因此开发经济、有效的复合水处理单元迫在眉睫。 滤技术结合在一起。对有机污染物去除率高,出水中没有悬浮物, 此外,新技术如膜技术、生物强化技术等的应用在化学制药废水 硝化能力强,污泥产率低,便于实现自动化控制。如利用一体式膜 处理方面有更广阔的应用前景。 生物反应器对COD为2500-4000mg/L的抗生素废水进行了处理。 3.3 传统的生物强化污水处理技术工艺 由于活性污泥中杂菌多,导致消耗较多的氧与养料,抑制了 参考文献 [1] 制药工业水污染物排放标准.化学合成类编制说明.制药工 正常细菌的生长和作用发挥,对其进行分离纯化后,能获得较高 业水污染物排放标准 化学合成类.2007,09. 的降解效率。如分离、筛选得到的效应菌株分别属不动杆菌属、 [2] 马立艳.混凝处理抗生素废水研究[J].江苏环境 科假单胞菌属、埃希氏菌属和芽孢杆菌属,将效应菌株制成混合 技,2007,20(5):45-46. 菌液处理β-2内酰胺环类抗生素废水,废水COD由4100mg/L降至 [3] 张林生,杨广平.水杨酸废水纳滤处理中操作压力的影响 [J].989.7mg/L,COD去除率达到了75.86%,并对此类抗生素有较强耐 水处理技术,2005,31(6):76-78. 受能力。 [4] 安晓雯,仉春华.铁屑-活性炭内电解法预处理制药废水的 3.4 固定化技术 试验[J].大连民族学院学报,2007,(5):73-75. 固定化微生物法是将微生物固定在载体上或定位于限定的空 [5] 相会强,刘雪莲,李立敏.抗生素废水水解酸化预处理试验研 间区域内,并保持其生物功能,反复利用。固定化微生物技术已 究[J].环境科学与技术,2005,28(6):77-79. 用来处理四环素、阿苯哒唑、扑尔敏、布洛芬等制药生产废水, 另外,亦可在SBR中采用固定化微生物技术来处理氨氮含量高作者简介,张燕(1981-),女,就职于河北省辛集市环境保 护研究所,研究方向,环境保护,李萍,1981-,,女,助工,就 的 职于机械工业第六研究院,研究方向,排水设计研究,董亚 制药废水。如PVA复合载体包埋固定化微生物颗粒处理抗生素废 荣,1983-,,女,助教,中国环境管理干部学院,研究方向,环 水的工艺条件,活性微生物为经抗生素废水以10%浓度增幅驯化 境保护研究与教学。 75d后的活性污泥。 结果表明,进水COD为2000mg/L、曝气20h、温度控制 在,上接第91页, 10-45?、pH值7-10、固定化颗粒与废水比例1:4是固定化活性污 tillage management[J].Applied Soil Ecology, 2001,16:251 -261. 响[J].微生物学报,2004,44(4):519-522. [16] Schutter ME,Dic k RP,Microbial commuity profileand s [23] SiglerWV,Turco RF,The impact of chlorothalonil application on activities among aggregates of winterfallow and cover-croppesoil[J]. soilbacterialandd Soil fungalpopulations as assessed by denaturing gradient gel Science Society of America Journal, 2002,66(1):142-153. electrophoresis[J].Applied And EnvironmentaMicrobiology,l 2002,21:107-1l8. [17] 何念杰,唐祥宁,游春平.烟稻轮作与烟草病害关系的研究 [24] 傅懋毅,方敏瑜.竹林养分循环、毛竹纯林的叶凋落物及其 [J].江西农业大学学报,1995,17(3):294-299. [18] 陈芝兰,周晓英,何建清.设施栽培措施对土壤微生物区系 分解[J].林业科学研究,1989,2(3):207-213. 的影响[J].西藏科技,2007,1:14-15. [25] 李东坡,武志杰,陈利军等,长期培肥黑土微生物量碳动态 [19] 吴凤芝,王伟.大棚番茄土壤微生物区系研究[J].北方园 变化及影响因素[J].应用生态学报,2004,15(3):133-138. 艺,1999,3:1-2. [26] 李秀英,赵秉强,李絮华等.不同施肥制度对土壤微生物的影 [20] 尹睿,张华勇,黄锦,等.保护地菜田与稻麦轮作田土壤微生 响及其与土壤肥力的关系[J].中国农业科学,2005,38(8):1591-1599. 物学特征的比较[J].植物营养与肥料学报,2004,10(l):57-62. [27] SarathchandrSU,Yeatea sGW , Burch G,et al, Effect ogen f nitro [21] EL-Ghmryam,Xu J-M, HuangC -Y,Influenceand phosof herbicides onphate fertiliser s on microbial and nematode diversity in pasture soils[J]. SoiBiol.Biochem.,2001,33:953l -964. microbial biomass and nitrogen mineralization in soils[J].浙江大学学报 (农 业与生命科学版),1999,256:639-644. [22] 罗海峰,齐鸿雁,张洪勋.乙草胺对农田土壤细菌多样性的影 汪海静,女,研究方向,土壤微生物。作者简介,