微生物生态八月每日一文（8.11~8.20）
八月未央
8.11
线虫（Nematode）取食行为对土壤细菌群落的影响
参天大葱
竞争和捕食是生物群落动态变化的两大驱动力。对于土壤微生物，物种竞争是当前关注较多的方面；虽然微型动物（microfaunal）捕食对微生物的影响已经公认，但捕食的潜在影响依然很不明确。2017年，ISME J刊登了一篇文章“Nematode grazing promotes bacterial community dynamics in soil at the aggregate level”。为了解微型动物捕食对微生物的影响，作者选择了食细菌线虫对种植在红土地上玉米根际细菌的影响进行了研究。
在土壤样品选择上，作者考虑了长期施肥处理不同施肥量和不同粒径土壤作为参考因素。自2002年开始对样点进行施肥处理，M0：不施粪肥；M1：低肥（150kg N ha-1 y-1）；M2：高肥（600 kg N ha-1 y-1）；M3：高肥（600kg N ha-1 y-1）+石灰（3000kg ha-1 每3年）。经13年处理后（2014年），对各样点进行取样（根系样品），取样深度为0-15cm，抖落与根松散结合的土，用刷子轻轻刷落紧密结合的土，过4mm筛去除根系。取100g无根根际土过筛成三份：大粒径（>2000μm，LMA）；小粒径（250-2000μm，SMA）；微粒径（<250μm，MA）。相应土壤中的线虫和微生物的丰度和群落组成被检测。
为检验假说：线虫进食通过影响细菌功能进而显著影响了土壤有机磷循环，碱性磷酸酶（alkaline phosphomonoesterase，ALP）产生细菌作为一功能类群被观测。①相关性分析、结构方程模型和互作网络以及实验室微宇宙模拟实验均一致指出，食细菌线虫的存在增加了细菌多样性和丰度，并且与总细菌生物量及产ALP细菌丰度正相关。②这种效应尤其在大粒径根际土颗粒中更显著。③食细菌线虫Protorhabditis被检测为样点土壤中最优势线虫，微宇宙模拟实验中，添加线虫Protorhabditis发现，Protorhabditis和关键ALP产生细菌Mesorhizobium之间存在正相关。
简单概括线虫与细菌关系：1）食细菌线虫可以显著提高细菌和ALP细菌生物量/丰度、多样性；2）总细菌生物量及产ALP细菌丰度正相关；3）线虫Protorhabditis和ALP产生细菌Mesorhizobium正相关；4）大粒径根际土颗粒中上述效应更显著。上述结果表明，线虫在刺激空间依赖性细菌动态变化中起重要作用。
图1 不同施肥处理和粒径根际土壤中细菌生物量和多样性
a.细菌生物量；b.细菌多样性（diversity）；c.细菌丰富度（richness）；d.ALP细菌丰度；e.ALP细菌多样性；f.ALP细菌丰富度。可知，随施肥量增加总细菌和ALP细菌生物量/丰度、多样性和丰富度均增加；在高施肥量（M2、M3）处理中，不同粒径土壤颗粒内细菌和ALP细菌生物量/丰度、多样性、丰富度存在显著差异，且随着粒径的增大而降低。
图2 微宇宙模拟实验展示线虫对ALP细菌丰度和活性的影响
a.ALP细菌丰度；b.ALP细菌活性。可知，在高施肥量（M2、M3）处理中，线虫对ALP细菌丰度和活性影响显著，添加线虫后，ALP细菌丰度升高、活性升高，在大粒径土壤颗粒中差异更显著。
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https://pdfs.semanticscholar.org/8dfb/ee6e014b9feb1d1dd34a1c13e19efb644604.pdf
8.12
CO2浓度提高对河口初级生产者之间竞争的影响
微风
化石燃料燃烧，富营养化和上升流（upwelling）将过量的二氧化碳引入沿海地区，到本世纪末，二氧化碳从化石燃料燃烧向海洋表面的扩散量预计会导致CO2和HCO3-水平分别提高260％和20％。海洋自养菌可能受益于二氧化碳排放的程度，将是其碳限制以及与其他初级生产者在其它方面竞争的一个函数。2017年8月9日，SCIENTIFIC REPORTS（IF=4.259）上刊登了一篇题为“The organizing effects of elevated CO2 on competition among estuarine primary producers”的文章。文章利用北大西洋中的Ulva（石莼）和Gracilaria（龙须菜）为对象，分别在原位环境（in situ）、周围CO2分压约400μatm和CO2分压升高至〜2500μatm的环境下进行实验，以探索其相互之间及与自然环境中浮游生物群落间的竞争关系。实验结果如下：①升高的CO2浓度显着增加了Gracilaria和Ulva的生长速率，并使得组织中δ13C显著下降。②Gracilaria的生长不受与浮游微生物或Ulva竞争的影响，而当Ulva与Gracilaria或浮游生物竞争时，Ulva的生长量就会显著减少。③当暴露于较高的CO2浓度时，甲藻（Dinoflagellates）生长速率明显增加；但当与Gracilaria竞争时，生长速率就会明显减慢。④大型藻类之间的碳-氮比升高表明，对氮的竞争也影响了自养生物之间的相互作用，特别是Ulva。虽然一些河口自养（微）生物受益于升高的CO2浓度，但将初级生产者之间的直接竞争关系考虑在内时，这种优势可能会发生改变。
图1 美国纽约Shinnecock海湾地图
图2 从7月到10月经不同处理后的Ulva生长速率
图5 从7月到10月经不同处理后Gracilaria的生长速率
图8 各种河口初级生产者对三种情景下的富营养化、海洋酸化和竞争的响应及互作
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http://www.nature.com.sci-hub.cc/articles/s41598-017-08178-5
8.13
在有机蔬菜生产系统中重复使用猪粪堆肥，总重金属浓度和细菌群落组成的短期变化
小超人
来自畜牧业的动物粪便是中国最受欢迎的用于堆肥的材料。然而，由于盐分和添加剂提供的高浓度重金属的存在以及堆肥过程，可能引起堆肥的重金属污染。来自南京环境科学研究所的Wei Tian等通过在有机蔬菜生产系统中重复使用猪粪堆肥，对总重金属浓度和细菌群落组成的短期变化进行研究，2015年在Biol Fertil Soils（IF=3.683）上发表了题为“Short-term changes in total heavy metal concentration and bacterial community composition after replicated and heavy application of pig manure-based compost in an organic vegetable production system”的文章。实验进行了4个月，分别以0（CKC），30（PC1），60（PC2）或120（PC3）吨/公顷的猪粪堆肥方式连续栽培两种作物——小白菜（Brassica chinensis）和苦苣（Cichorium endivia），结果发现：①在土壤中大量重复地应用猪粪堆肥，短期内增加了重金属（Zn，Cu，Pb和Cd）的总量；②尽管焦磷酸测序分析后计算的不同样品的香农（细菌多样性），Chao1（丰富度）和均匀度指数相似，但在加入不同比例的堆肥土壤中，细菌群落组成发生了变化；③主成分分析（PCA）表明，过度添加堆肥在短期内不会改变细菌多样性，在某些情况下甚至引起多样性降低。作者认为应评估堆肥应用的最佳添加比例和频率，以促进有机农业的可持续发展。
图2 用不同比例的猪粪堆肥处理的土壤中Zn，Cu，Pb和Cd的总浓度
图5 基于Bray-Curtis距离指数的OTU水平细菌群落的热图和主成分分析（PCA）
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https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-015-1005-4
8.14
实验室反应器中六价铬还原过程与厌氧甲烷氧化过程偶联
一粒米
工业活动产生的六价铬Cr(VI)毒性大且溶解度大，极易进入地下水造成生态影响，若将六价铬还原为三价铬使其溶解度减小，不易转移，则有利生态稳定。六价铬可以作为厌氧甲烷氧化的电子受体，并且相较之其他电子受体，六价铬与甲烷反应的吉布斯自由能更小，所以理论上必然存在六价铬作为电子受体的厌氧甲烷氧化过程。为了解六价铬介入对以DAMO（反硝化厌氧甲烷氧化）为基础的厌氧甲烷氧化（AOM）富集群落的影响，Yong-Ze Lu等（2016）在Water Research（IF=6.942，TOP）发表了名为“Cr(VI) reduction coupled with anaerobic oxidation of methane in a laboratory reactor”的文章。研究者主要采用了稳定同位素标记法、高通量测序、宏基因组测序、定量PCR等技术方法，通过对富集的AOM培养物的研究发现：①13CH4稳定同位素实验证实六价铬在AOM培养物中被还原，说明AOM过程偶联六价铬的还原。②几轮六价铬还原后，微生物群落发生极大改变，ANME-2d 古菌在数量与比例上成为唯一占主导地位的AOM相关微生物，但其他丰度增加的细菌从未被报道具有六价铬还原的功能。③提出两种可能的机制（见下图3）： a)六价铬的还原仅由ANME-2d完成； b) 六价铬的还原过程是由ANME-2d与其他未知微生物共同作用的结果。本研究揭示了铬还原与甲烷氧化之间的潜在关系。
图1 六价铬的还原与甲烷氧化过程联合
图2 六价铬还原体系培养物中微生物群落组成 a 科水平 b 门水平
图3 六价铬还原与甲烷氧化偶联假设机制
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http://sci-hub.bz/10.1016/j.watres.2016.06.065
8.15
气候寒冷化影响下土壤微生物菌群结构及功能变化趋势
李小圆
近年来，由全球气候变暖而引发的局地气候寒冷化(climate cooling)受到广泛关注。然而气候寒冷化对生态多样性和生态系统功能的影响仍未可知。近日，清华大学杨云峰团队在ISME J（IF=9.664，TOP）发表文章“Alpine soil carbon is vulnerable to rapid microbial decomposition under climate cooling”，意在揭示气候寒冷化影响下土壤微生物菌群结构及功能变化趋势。该研究通过对青藏高原区高山低海拔土壤进行高海拔移植的策略模拟气候寒冷化，采用454高通量测序及GeoChip 4.0芯片相结合的方法，揭示土壤中微生物生态变化规律。研究表明，（1）经过三年寒冷化处理，植物生产力及微生物潜在功能(如碳呼吸和营养循环)都有不同程度降低；（2）尽管化学非稳定碳（如淀粉、半纤维素等）降解基因相对丰度却表现出下降趋势，但化学稳定碳（如木质素，芳烃等）降解相关基因丰度在寒冷化影响下并未有明显变化；因此，（3）寒冷化的综合结果为引起土壤有机碳（SOC）的损失。作者由此推断，每年气温平均降低1℃，青藏高原将损失0.1Pg（0.3%）土壤有机碳。研究表明，气候寒冷化对微生物的影响会致使土壤碳储备损失。该研究为短期寒冷化气候变化下环境生态及功能的变化规律提供了新视角。
图1 寒冷化处理下不同理化指标的变化
图2 寒冷化处理下不同碳降解基因相对丰度变化
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http://www.nature.com.ololo.sci-hub.cc/ismej/journal/v11/n9/full/ismej201775a.html
8.16
矿物类型和树种决定了森林土壤细菌群落的功能和分类结构
坚果儿
森林通常在贫瘠的岩石土壤上开发，营养丰富的土壤一直用于农业。在这种情况下，养分的循环（recycling）和可利用性（access）是这些环境中的关键过程。解析土壤矿物学如何影响土壤细菌群落的多样性、结构和功能对于更好地了解土壤细菌群落在贫瘠环境中营养循环和植物营养中的作用至关重要。目前关于矿物质对土壤微生物群落多样性和结构影响的研究仍然很少。17年3月，法国洛林大学国家农学研究院的Uroz研究团队在Applied and Environmental Microbiology（IF：3.823）上发表了一篇文章，题为“Mineral type and treespecies determine the functional and taxonomic structure of forest soilbacterial communities”。选择了3种具有不同化学性质的纯矿物质：黑曜石，磷灰石和方解石。研磨成颗粒后分别装在网袋里，埋在不同树木（山毛榉，原生森林/中林/混乔矮林：在矮林中混有高大乔木的混合林和科西嘉松）下的土壤有机-矿物层中培养2.5年。之后，结合土壤化学分析和16S rRNA基因扩增子焦磷酸测序来确定在细菌和矿物表面之间相互作用的早期阶段细菌群落如何受到矿物质以及不同树下土壤条件的影响。同时，使用Biolog微孔板测定大块土壤和矿物颗粒相关细菌群落的碳源利用模式。最后，培养实验测定每种细菌菌株的矿物风化潜力。在非生物条件下测定不同矿物质的耐候性（weatherability），以确定该指标是否是细菌群落的潜在驱动因素。结果：（1）16S rRNA基因焦磷酸测序分析显示，在2.5年的培养期后，矿物质与周围非根际土壤的细菌群落组成显著不同。（2）方解石相关的细菌群落，与在黑曜石和磷灰石定殖的细菌群落明显不同。（3）对于磷灰石和黑曜石，培养实验显示有效风化矿物的细菌的丰度明显更高。（4）矿物质富含变形菌纲和有效矿物风化细菌伯克氏菌属和Collimonas属，表明这些类群在贫瘠的森林生态系统的矿物风化和营养循环中起关键作用。
图1 主要细菌类群的相对丰度分布
图2 细菌类群与功能的关系
分别对TCP（A），CAS（B）和CAL（C）培养基上的主要细菌属的平均P，Fe和方解石溶解度（cm）进行了估算。条上方的不同字母（a，b，c）表示细菌属之间的显著差异（P <0.05）。
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http://aem.asm.org.sci-hub.cc/content/83/5/e02684-16.full.pdf+html
8.17
玉米生长对不同绿肥处理后土壤微生物和土壤理化的响应
小丸子
农业生产中施用绿肥可以提供营养、影响土壤微生物群落结构，因此成为可持续的实践管理方式。土壤微生物的活动可以影响作物生长，但对产量的影响程度尚不清楚。2016年，Appl Microbiol Biotechnol（IF=3.420）发表了名为“Maize growth responses to soil microbes and soil properties after fertilization with different green manures”的文章，调查了四种不同绿肥（长柔毛野豌豆，莠草，紫云英和萝卜）处理下的土壤细菌群落和土壤性质，并确定了这些处理对玉米生长的影响。紫云英表现出提高作物生产力的最大潜力，玉米产量提高了31.3％，这种变化可能与土壤微生物和土壤性质的变化有关。整个土壤细菌群落和物理化学性质在处理中差异显著，土壤细菌、土壤性质和玉米产量存在显著相关性。酸杆菌门（Acidobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia）的丰度与玉米产量呈正相关，而变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）的丰度与玉米产量呈负相关。这些数据表明，玉米产量的变化与土壤细菌的差异有关。结果还表明，土壤pH值、碱解氮和有效钾是决定土壤细菌群落和玉米产量的关键环境因素。土壤性质和土壤微生物都可能作为影响土壤质量和潜在作物产量的指标。
图2 不同绿肥处理的土壤中主要细菌门（a）和属（b）的相对丰度差异。
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https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-016-7938-1
8.18
在DNA和RNA水平上揭示针叶林微生物群落变化
参天大葱
针叶林（coniferous forests）生态系统是全球碳汇（carbon sinks）的杰出代表，特别是在北半球寒带和温带地区，因此研究针叶林生态系统是非常重要的。2016年，Environmental Microbiology（IF：5.395，TOP）刊登了“Microbial activity in forest soil reflects the changes in ecosystem properties between summer and winter”一文，文章对季节影响下针叶林生态特征与微生物活性之间的关系进行了阐述。
文章作者以欧洲云杉（Picea abies）为主的针叶林为样点，选择两个差异最大的季节——夏季和冬季为采样时期，采集林内枯落物及土壤为样品；为详细揭示此背景下的微生物功能，作者结合宏转录组、微生物群落结构和功能在RNA和DNA水平上进行了研究。采样时期选择夏冬两季是因为，夏季是植物光合作用最活跃的时期，而冬季几乎没有光合输入。
结果显示，微生物群落中，特别是在枯落物样品中，真菌具有较高的活性，其转录活性贡献度超过50%。夏季和冬季样品差异分析发现，在DNA水平上仅有26-33%的细菌、<15%的真菌在属水平丰度存在显著差异；然而，在RNA（转录）水平上，真菌、古菌和绝大多数的细菌门均存在显著差异。进一步分析发现，相较于枯落物样品，上述差异在土壤样品中差异更明显。值得注意的是，真菌在转录水平上的贡献度从夏季的33%降低到冬季的16%，特别是外生菌根菌（ectomycorrhizal）转录活性在冬季大幅降低。据此提出一条假设：植物光合产物可能是针叶林微生物群落功能改变的主要驱动力之一。
表1 松柏林土壤和枯落物样品在夏季和冬季物理、化学、生物特征
上表数值为六次重复的平均值和标准差，加粗表示差异显著（P<0.05）。从上表可以看出，无论以样品类型（数据前两列）还是季节（后四列）细菌丰度均高于真菌，土壤B/F比显著高于枯落物，冬季B/F比显著高于夏季。
图1 (A)细菌、真菌转录贡献度；(B)转录组KEGG level 3水平NMDS排序分析；(C)各微生物分类在转录组功能中所占比例。
LS：枯落物、夏季；LW：枯落物、冬季；SS：土壤、夏季；SW：土壤、冬季。
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http://sci-hub.bz/10.1111/1462-2920.13026
8.19
纳米银对水生环境中硝化效率及氧化亚氮（N2O）的排放的影响
李小圆
纳米技术在过去几十年内得到迅速发展。银纳米颗粒（AgNPs）是全球纳米技术消费品中最常见的材料。近年来，由于AgNPs的广泛应用，其潜在的环境影响获得公众的高度关注。硝化过程是氮循环中对AgNPs最敏感的过程之一，但水生环境中AgNPs对硝化作用的具体影响还未可知。近日，华东师范大学的侯立军课题组在Science Advances（Science新子刊）发表题为“Effects of silver nanoparticles on nitrification and associatednitrous oxide production in aquatic environments”的文章，作者通过实验室模拟培养结合稳定同位素失踪、扩增子高通量测序、宏转录组测序、定量PCR等技术手段，研究了不同粒径、不同浓度AgNPs对河口沉积物中硝化效率及氧化亚氮（N2O）排放量的影响。研究表明：(1) AgNPs能抑制硝化速率，并随AgNP浓度增加硝化速率呈指数下降。（2）与对照相比，AgNPs处理下，硝化微生物的N2O排放量表现出低浓度促进和高浓度抑制的现象。(3) 宏转录组测序结果也表明，低浓度AgNPs处理下一氧化氮还原酶基因（norQ）表达量明显上调。(4) 同位素标记实验表明，羟胺氧化过程（hydroxylamine oxidation）是N2O产生的主要途径，其对N2O产生量的贡献度在低浓度AgNPs处理下增加。该研究对AgNPs污染下环境中硝化速率及N2O排放量的动态响应进行了综合研究，敲响了纳米消费品对环境污染的警钟。
图1 不同浓度（粒径）AgNP及Ag+与不含Ag的对照相比对硝化速率的抑制率（模拟培养时间=12h，生物学重复数n=3）
图2 不同浓度（粒径）AgNP及Ag+对N2O释放的影响
图4 AgNPs处理对硝化微生物群落的影响机制
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http://advances.sciencemag.org/content/3/8/e1603229
8.20
重金属和土壤理化性质对湿地土壤微生物量和细菌群落结构的影响
小超人
随着人口增长的加剧、农用肥浸出和工业废水排放，使湿地生态系统越来越多地受到重金属（HMs）的影响，重金属污染已是湿地土壤面临的严重环境问题。了解重金属污染湿地土壤的微生态特征已成为公众关注的问题。来自湖南大学的梁婕教授课题组研究了重金属和土壤理化性质对湿地土壤微生物生物量和细菌群落结构的影响，在Science of the Total Environment（IF=4.900，TOP）上发表了题为“Effects of heavy metals and soil physicochemical properties on wetland soil microbial biomass and bacterial community structure”的文章。研究通过PCR-DGGE技术分析细菌群落结构，通过相关分析和冗余分析（RDA）分析土壤环境与微生物的关系。结果表明：①土壤微生物量（SMB）和HMs之间的关系弱于SMB和物理化学性质之间的关系；②RDA分析显示所有八个参数解释了细菌DGGE剖面变化的74.9％，四种HMs解释了细菌变化的43.4％（Cr，Cd，Pb和Cu共有的变化），说明HMs污染对细菌群落结构的变化有重要影响；③Cr解释了细菌群落结构变化的19.4％（p ＜ 0.05），Cd解释了17.5％（p ＜ 0.05），表明Cr和Cd是细菌群落结构变化的重要驱动因素。
图2 东洞庭湖湿地土壤样品重金属含量指数（Igeo）
凯桑湖（CS）；俊山岛（JS）；路桥港（LJ）；
图4 细菌群落结构和环境变量的RDA分析图
样品表示为圆形；土壤性质和重金属表示为具有填充箭头的直线。
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896971630167X
注：题目带有
本期审阅、校稿、排版：卢瑟菌