中国土壤微生物组在环境治理研究现状与展望

本文摘要:微生物是地球最先经常出现的生命形式,这种非常简单而古老的生命要求了地球进化的方向和进程,推展了土壤的再次发生和发育,孕育出了人类的文明。事实上,土壤中蕴含的极大微生物多样性,被称作地球关键元素循环过程的引擎,是联系大气圈、水圈、岩石圈及生物圈物质与能量互相交换的最重要纽带,维系着人类和地球生态系统的可持续发展。

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微生物是地球最先经常出现的生命形式,这种非常简单而古老的生命要求了地球进化的方向和进程,推展了土壤的再次发生和发育,孕育出了人类的文明。事实上,土壤中蕴含的极大微生物多样性,被称作地球关键元素循环过程的引擎,是联系大气圈、水圈、岩石圈及生物圈物质与能量互相交换的最重要纽带,维系着人类和地球生态系统的可持续发展。近30年来,随着各种先进设备物理化学手段的经常出现,尤其是高通量测序技术的指数式发展,土壤微生物学沦为地球科学与生命科学的新兴学科增长点和交叉前沿,蕴含于土壤中的极大微生物多样性被指出是地球元素循环的引擎,而每克土壤中数以亿万收的微生物中,高达99%的物种及其功能尚属不得而知,因此被称作地球“微生物暗物质”。

这些海量的微生物与简单的土壤环境总称作土壤微生物组(SoilMicrobiome),是工农业生产、医药卫生和环境保护等领域的核心资源之一,早已沦为新一轮科技革命的战略高地,获得了世界各国政府的高度重视。1、土壤微生物组的功能土壤微生物组是土壤中所有微生物及其栖息于环境的总称。土壤微生物组研究的核心内容是特定土壤中微生物群落的协同进化规律及其环境功能。

土壤微生物组的功能与人类生产生活中的基本市场需求(如粮食生产、环境保护和医药卫生等)密切相关。(1)土壤微生物组是地球上最重要的分解者,具备多重生态与环境功能。首先微生物是土壤-植物系统中生源要素迁入转化成的引擎,土壤中有机质的分解成与累积,氮素转化成(还包括生物固氮)等过程莫不与微生物的活动密切相关。

这也是传统土壤微生物学研究的重点,这些研究主要环绕元素转化成速率、养分利用率、与涉及土壤酶活性及功能基因的关系等展开。事实上,土壤微生物组要求了氮素转化成及其有效性,如生物固氮、硝化作用和鼓吹硝化作用的酶活性及其与涉及微生物功能基因的关系等,在提升氮素利用率和增加氮肥用药的负面环境效应方面充分发挥了最重要起到。然而,有数的土壤微生物组研究大多基于单个过程(例如硝化作用)及其涉及微生物,只有从氮素循环全过程和其微生物组的角度来研究,才能掌控土壤中氮素转化成的全貌并制订适当调控措施。

(2)土壤微生物组是地球污染物消纳的净化器,通过生物转化深刻影响土壤中污染物赋存的形态和挚爱,是土壤具备消纳污染物功能的关键。对于有机污染物而言,通过微生物的新陈代谢和共计新陈代谢过程,污染物以求转化成或完全分解成矿化。例如,通过稳定性同位素探针技术已开发利用土壤中需要水解多环芳烃的微生物群落,尤其是找到一些仍未获得人工分离出来和培育的新型微生物类群,并在肥料系统找到了水解多环芳烃的最重要功能微生物组。这些研究不利于探寻新的新陈代谢途径、发展更为高效的生物修缮技术,并可通过微生物改建优化为生物修缮获取理论和技术支持。

微生物新陈代谢也不会影响金属和类金属污染物毒性和生物有效性。比如,土壤中砷的水解-还原成和甲基化等过程主要由微生物驱动。

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通过加到有机质可以转变土壤微生物群落、调控涉及功能基因表达及其物理化学条件,从而提升水稻土中砷的生物甲基化,减轻砷的毒性或提升生物修缮效率。(3)土壤微生物组是全球变化的调节器,通过影响元素生物地球化学过程,在相当大程度上影响温室气体废气与消纳。土壤微生物组有可能需要增进地球降温,如驱动生态系统温室气体废气,还包括甲烷和氮氧化物。事实上,每年全球湿地甲烷排放量高达上亿吨,而这些甲烷废气几乎来自于微生物的起到。

同时,温度增高可在一定程度增进土壤微生物组的活性,加快有机质的分解成并向大气中获释更好的二氧化碳,构成全球加剧的正反馈。此外,全球气候变化也有可能增进植物群落更慢地进化,转变凋落物的质量和数量,进而影响地下食物网的结构和功能。土壤微生物组也是氮氧化物废气的最重要来源。

据估计,全球每年氮肥投入量高达上亿吨,绝大部分氮肥以铵态氮的形式转入土壤后,必需在微生物的起到下才能已完成氮循环维系地球生态系统的可持续发展。而这一过程中不会产生大量的氧化亚氮和一氧化氮等温室气体并影响气候变化。在有所不同时空尺度上,尤其是全球变化的最重要模型中耦合土壤微生物组,将能更为精确地估计温室气体排放量及其全球降温效应,为发展更佳的排放量措施获取理论基础。

(4)土壤微生物组是维系陆地生态系统地上-地下相互作用的纽带。土壤微生物组是陆地生态系统植物多样性和生产力的最重要驱动者,直接参与了植物取得养分和土壤养分循环两个过程。共生固氮菌、菌根真菌和根际促生菌需要必要强化植物取得养分的能力。

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同时,土壤微生物需要影响土壤养分循环过程,提升土壤养分的生物有效性,减少养分损失,间接转变植物养分的取得量。虽然不少研究证明地下微生物在增进地上植物生长方面的显著效果,但是由于理论和技术手段的容许,这一效果至今仍未在农业上以求广泛应用。更进一步深入研究根系-微生物对话的信号基础与氮磷转化成吸取、土壤-根系-微生物协同作用机制与氮磷生物有效性、氮磷高效利用的地上-地下生物功能调控与技术原理,可以有效地解决问题上述理论和技术方面的瓶颈问题。

充分利用这些科学知识,可以充分发挥土壤微生物组在提高植物营养、提升养分利用率和减少化肥施用量方面的起到。(5)土壤微生物组是活性物质的资源库,与人类身体健康息息相关。土壤微生物组中的有益生物可抑制人类和动植物致病菌细胞分裂和传播,而土地利用方式的变化可通过转变土壤微生物多样性来影响人类身体健康。

土壤微生物是最重要的次生新陈代谢产物(如药物)的资源库,多数天然抗生素来自于土壤微生物。1946年美国科学家赛尔曼·瓦克斯曼从土壤链霉菌中找到了链霉素,并取得了1952年诺贝尔奖。20世纪70年代中期,美国科学家威廉·坎贝尔和日本科学家大村智找到了阿维菌素这一高效外用寄生虫药,并取得了2015年诺贝尔奖。近年来,天然结构抗生素的找到转入瓶颈期,随着微生物培育技术、宏基因组学及高通量检验方法的发展,人们再度将目光探讨于从天然产物中找到新型抗生素。

日本科学家从约1.4万种土壤微生物中找到一种新兴天然抗生素LysocinE,可有效地杀掉耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA);美国与德国科学家从土壤微生物中检验出有一种新型抗生素Teixobactin,可杀掉多种病原菌,且细菌很难对该抗生素产生耐药性。宏基因组学技术是人们取得并未可培育微生物资源的最重要手段之一,使用该技术,科学家们早已从土壤中取得多种新型抗生素。此外,土壤微生物还与人类身体健康必要涉及,研究指出土壤微生物可与人体皮肤微生物相互作用来影响人体免疫系统,从而增加过敏的再次发生。


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