稻田土壤厌氧氨氧化协同铁还原为途径的气态氮素损失过程及其机理的研究

论文摘要

土壤中厌氧氨氧化协同铁还原过程,被称为铁氨氧化反应（Feammox）,是厌氧条件下土壤氮素去除的新途径。施肥作为一种重要的农艺措施,其对铁氨氧化过程的影响及作用机制亟待研究。本研究在以南方长期施肥的稻田土壤为研究对象,进行室内土壤泥浆化培养试验,采用15N同位素标记结合定量PCR的方法,表征铁氨氧化反应速率及微生物的响应,并以生物质炭为载体,对驱动该反应的深层“电子传递体”调控机制进行探究。本研究从铁氨氧化反应速率表征入手,揭示微观层面各要素的贡献,最后进行微生物驱动的调控机制验证,完成了“施肥导致铁氨氧化速率差异”这一科学问题“现象-原因-本质”的探索,为理解施肥条件下稻田土壤氮循环过程提供理论依据和数据支撑。研究概述如下:（1）通过田间不同施肥土壤样本的高通量测序,得出长期施肥过程能够显著提高土壤中铁氨氧化功能微生物和铁还原相关微生物丰度,表明施肥后土壤中可能存在极大的铁氨氧化潜势。（2）进行室内土壤培养试验,量化四种不同施肥土壤中铁氨氧化反应速率强弱,探究相关微生物群落组成和分布,预测其对稻田生态系统氮损失贡献率,结果表明不施肥土壤中经由铁氨氧化过程的氮素损失量为3.64 kgN ha-1 year-1,而在施肥土壤中这一损失量高达15.97-24.91 kgN ha-1 year1,功能微生物酸微菌科A6和有机质输入触发的“电子传递体”机制是导致其差异的主要原因。（3）以生物质炭为载体,在不同铁源存在的情况下,验证以上土培试验过程中“电子传递体”机制对反应的影响,“微生物-电子穿梭体-铁氧化物”主导的电子传递体系,能构建微生物及其受体之间电子传递的闭环,是调控铁氨氧化反应过程的内在驱动机制。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
• 2）循环过程'>  1.2 土壤气态氮素（N₂）循环过程
•     1.2.1 大气氮素固定过程
•     1.2.2 硝化-反硝化联合脱氮过程
•     1.2.3 厌氧氨氧化过程
•     1.2.4 厌氧氨氧化协同铁还原过程
•   1.3 土壤气态氮损失相关微生物驱动机制
•     1.3.1 氨氧化细菌群落
•     1.3.2 反硝化细菌群落
•     1.3.3 厌氧氨氧化细菌群落
•     1.3.4 铁氨氧化微生物群落
•   1.4 选题依据和研究思路
•     1.4.1 选题依据
•     1.4.2 技术路线
• 第二章 施肥对稻田土壤氮循环微生物分布特征的影响
•   2.1 前言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 研究区概况
•     2.2.2 试验区施肥处理
•     2.2.3 土壤样品的采集
•     2.2.4 氮循环相关功能微生物的定量
•     2.2.5 高通量测序
•     2.2.6 数据分析
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 不同施肥处理下,土壤理化性质的差异
•     2.3.2 不同施肥处理下,氮循环功能基因丰度
•     2.3.3 不同施肥处理下,土壤微生物群落结构
•     2.3.4 不同施肥处理下,土壤环境因子与微生物群落结构关系
•   2.4 小结
• 第三章 施肥对稻田土壤铁氨氧化反应过程的影响
•   3.1 前言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 供试土壤
•     3.2.2 土壤泥浆预培养
• 15NH₄⁺同位素标记土培试验'>    3.2.3¹⁵NH₄⁺同位素标记土培试验
•     3.2.4 土壤基础理化性质的测定
•     3.2.5 土壤DNA提取和功能微生物定量
•     3.2.6 数据分析
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 不同施肥处理下,土壤基础理化性质
•     3.3.2 不同施肥处理下,铁氨氧化反应速率
•     3.3.3 不同施肥处理下,铁还原反应速率
•     3.3.4 铁氨氧化相关功能微生物群落结构
•     3.3.5 不同施肥处理对铁氨氧化过程的影响
•     3.3.6 铁氨氧化过程对氮损失过程的生态贡献率
•   3.4 小结
• 第四章 电子传递体介导下的铁氨氧化调控机制
•   4.1 前言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 供试土壤
•     4.2.2 生物质炭的制备
•     4.2.3 水铁矿的制备
•     4.2.4 土壤泥浆预培养
• 15NH₄⁺同位素标记土培试验'>    4.2.5¹⁵NH₄⁺同位素标记土培试验
•     4.2.6 土壤基础理化性质的测定
•     4.2.7 生物质炭的表征
•     4.2.8 土壤DNA提取和功能基因定量
•     4.2.9 数据分析
•   4.3 结果与分析
•     4.3.1 供试土壤及生物质炭基础性质
•     4.3.2 不同电子传递体介导下的铁氨氧化反应速率
•     4.3.3 不同电子传递体介导下的铁还原反应速率
•     4.3.4 电子传递体的表征
•     4.3.5 铁氨氧化功能微生物分布特征
•   4.4 小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 易博

导师: 邸洪杰

关键词: 厌氧氨氧化,铁还原,铁氨氧化,氮循环,微生物

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金面上项目稻田厌氧氨氧化的适应性调节机制及其对土壤氮气产生的调控作用研究(41877044),国家“973计划”项目作物高产高效的土壤微生物区系特征及其调控(2015CB150500)

分类号: S154.3;S153

总页数: 86

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