土壤微生物介绍

微生物在土壤养分循环中的作用焦如珍中国林科院林业研究所一、微生物在生物地球化学过程中的作用土壤是一个固、液、气三相组成的高度异质环境，发育着丰富的微生物群落。土壤微生物代谢的多样性和耐受恶劣条件的能力使得微生物在土壤中分布广并且具有较大数量。在1g土壤中几乎可以发现所有的微生物高级分类单元（Meyer1993）。每克土壤含有多于109个微生物（Torsciketal.，1990）。虽然微生物本身仅占土壤有机质的很小部分，但它是活着的有机体和物质转化的作用（Stevenson，1986），有机质转化所需能量的95%以上来自微生物的分解作用目前已定种的微生物只有大约15万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%微生物参与土壤生物化学过程、有机物的分解转化、菌根的形成、与植物互利共生以及对生物多样性和生态系统功能的影响等，在生态系统中起着举足轻重的作用。土壤微生物在C、N、P、K、S和其他元素的生物地化循环中起着重要的作用（KennethTodar，1998）。我主要介绍微生物在C、N、P、K循环中的作用第一章、土壤微生物在C循环的作用土壤有机质简介纤维素分解菌木质素分解菌土壤有机质(soilorganicmatter)概念：土壤有机质(soilorganicmatter)土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。微生物动物来源植物来源工农业副产品一、土壤有机质的来源土壤有机质0.5%5%0.5-2.0%7%第二节土壤有机质的分解和转化一、矿化过程与腐殖化过程1、矿化作用(Mineralization)***土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。R—（C，4H，养分）+2O2CO2+2H2O+能量+养分酶氧化腐殖化过程:(Humification)***各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。腐殖化系数***：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。动画演示图4-1有机质的分解与合成示意图在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质----CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分解作用进行得既慢又不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。在极端嫌气的情况下，还产生CH4、H2等还原物质，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。注意（一）土壤生物的组成与活性土壤动物促进植物残体的破碎和运输真菌可促进木质素的分解细菌和放线菌可促进碳水化合物的分解二、影响有机物质的分解和转化的因素：（二）土壤特性1、质地粘粒含量越高，有机质含量也越高。2、pH值中性、钙质丰富较好，pH6.5-7.5。3.水分最适湿度：土壤持水量的50-80%低洼、积水有利于有机质的积累4.通气性通气不良易有机质累积5.温度最适宜温度大约为25-35℃一些有机物质的碳、氮含量及其C/N比有机物质C%N%C/N云杉锯屑硬木锯屑小麦秸秆玉米禾茎甘蔗渣黑麦草（开花期）草坪禾草黑麦草（营养期）成熟苜蓿干草腐烂畜肥堆肥嫩苜蓿干草毛叶苕子城市淤泥土壤微生物细菌放线菌真菌土壤有机质软土Ap层老成土A1平均B层50463840404040404041404040315050505652460.050.10.50.70.81.11.31.51.82.12.53.03.54.510.08.55.04.92.35.1600/1400/180/157/150/137/131/126/125/120/116/113/111/17/15/16/110/111/123/19/1第三节土壤腐殖物质的形成和性质２、化学组成我国主要土壤腐殖酸的元素组成元素（%）CHO+SNHA50-603.1-5.331-413.0-5.6FA45-534.0-4.840-482.5-4.3习惯上以58%为其平均值，故计算有机质的含量时，一般以1.724为折算系数。3、含氧官能团羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。种类羧基酚羟基醇羟基醌基酮基甲氧基总酸度HA15-5721-572-491-261-53-867FA55-1123-5726-953-2012-273-12103腐殖质的含氧官能团含量（mmolM＋）.kg-12、腐殖质的变异性HA/FA值***：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。一般我国北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/FA比大于1.0而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，HA/FA比一般小于1.在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA比大于旱地。在同一地区，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。有机质改善土壤肥力特性1、物理性质：①促进良好结构体形成；②降低土壤粘性，改善土壤耕性；③降低土壤砂性，提高保蓄性；④促进土壤升温。2、化学性质：①影响土壤的表面性质；②影响土壤的电荷性质，③影响土壤保肥性；④影响土壤的络合性质；⑤影响土壤缓冲性3、生理性质：①影响根系的生长；②影响植物的抗旱性③影响植物的物质合成与运输；④药用作用。三、土壤有机质的管理$$土壤有机质（碳）的动态平衡土壤有机质含量并非可以无限提高，在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。$$如何提高土壤有机质含量？1、坚持两个原则平衡原则经济原则2.提高有机质含量的措施（1)合理耕作制度（退化或熟化）合理的耕作制度可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平。主要的有机肥源包括：绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥、有机、无机肥料配合施用2、施用有机肥3.种植绿肥田菁紫云英紫花苜蓿等绿休闲肥、套作绿肥养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合有机物质组成的碳氮比（C/N）对其分解速度影响很大。以25或30：1较为合适。C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中的有效氮，相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮，2、C/N比***动画演示新鲜程度破碎程度紧实程度（三）植物残体的特性1、物理状态研究纤维素分解菌的意义：纤维素量大:是地球上最大的多糖类物质，每年超过70亿吨利用率低：低水平利用：浪费严重：污染环境：纤维素分解菌纤维素分解菌筛选的实验设计1.富含纤维素的土壤取样2.选择性培养基培养3.梯度稀释4.将样品涂布在含有羧甲基纤维素钠平板筛选5.印模6.刚果红染色7.筛选产生透明圈的菌落纤维素分解菌的筛选：利用羧甲基纤维素钠平板筛选纤维素降解菌的酶活性测定：利用DNS法对羧甲基纤维素酶活力、滤纸酶活力进行测定。分解纤维素菌的筛选刚果红水解圈细菌真菌真菌放线菌细菌菌株9株，真菌菌株35株，放线菌菌株52株小结能够分解纤维素的微生物很多。既有好氧性微生物，也有厌氧性微生物；既有细菌，也有放线菌和真菌。好氧性纤维素分解细菌:食纤维菌属和生孢食纤维菌属是土壤中常见的好氧性纤维素分解细菌。多囊菌属、镰状纤维菌属与纤维弧菌属。许多放线菌能够分解纤维素。土壤放线菌有2.0%~4.4%能分解纤维素，其中包括白色链霉菌、灰色链霉菌、红色链霉菌等。放线菌的纤维素分解能力较弱，不及细菌和真菌。许多真菌具有很强的纤维素分解能力。其中主要有木霉、镰刀霉、青霉、曲霉、毛霉、葡萄孢霉等属的一些种。在森林的枯枝落叶中，占优势的纤维素分解菌是担子菌。在潮湿土壤中，真菌也是纤维素分解的优势菌群。厌氧性纤维素分解微生物主要是芽孢梭菌属的一些种，如奥氏梭菌，另外还有一些与奥氏梭菌区别很小的嗜热性种，如热纤梭菌、溶解梭菌等。1.木质素的分解属于二次代谢,即微生物的生长繁殖阶段完成之后,才开始进行木质素的分解2.木质素的分解反应不表现通常的酶反应基质特异性和结构特异性3.能分解木质素的酶类不是诱导酶,即木质素不能诱导木质素分解酶类的形成4.木质素的分解主要是在微生物分泌的胞外酶的作用下,由菌体外或其表面上进行的各种氧化反应完成的。木质素分解菌木质素分解菌的筛选：利用苯胺蓝平板脱色法、愈创木酚变色圈法。对照木质素降解菌的酶活性测定：过氧化物酶LiP的测定、锰过氧化物酶MnP的测定、漆酶Lac的测定、虫漆酶、HRP、CDH等酶类苯胺蓝脱色细菌真菌真菌放线菌细菌菌株7株，真菌菌株60株，放线菌菌株10株5.3.3木质素降解菌的筛选Lip或Mnp降解木质素的效果比较好主要是产木质素酶、漆酶、木质素过氧化物酶、纤维素酶的菌种，像白腐菌、褐腐菌和软腐菌等，具体的像是白腐菌中的黄孢原毛平革菌是研究最多的木质素降解菌，它的产酶情况和碳氮源有关。其它像白腐侧耳菌、粗毛栓菌等也有这种作用。另外有些产酶系广泛的芽孢杆菌也有这种作用，像枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等，但效果好像没有霉菌好分解木质素的微生物种类：自然界参与降解木质素的微生物的种类有真菌、放线菌和细菌。其中，真菌能把木质素彻底降解为CO2和水。降解木质素的真菌主要分为三类：白腐菌：白腐菌在木质素的生物降解中占有十分重要的地位。白腐菌多数是担子菌（Basidiomycetes[2]，少数为子囊菌。黄孢原毛平革菌是研究最多的木质素降解菌。云芝（Corilusversicolor）是一种非常重要的白腐菌，对木质素的降解能力较强。软腐菌：褐腐菌：木质素微生物降解的意义木质素是自然界可再生的含量丰富的天然高分子聚合物，也是化学制浆工业中重要的废弃物和污染物。（1）将木质素的生物降解应用于生物制浆及造纸废水的处理，不仅可以极大地改善造纸工业的环境污染问题，还有利于减少能耗创造经济价值。（2）应用于造纸工业木素酶的生物漂白技术是通过生物木素酶直接作用于纸浆的残余木质素，并使之发生降解溶出，从而有利于纸浆的进一步漂白。（3）应用于化工产品木质素微生物降解有可能使其转化为重要的化工产品、微生物蛋白饲料或有机肥料，使其变废为宝。第二章土壤微生物与土壤N的循环大气氮：约1015吨N2雷电、车辆尾气等占10%生物固氮占65-70%，其中根瘤菌固氮占60%土壤氮工业固氮约占20-25%一、土壤中N的来源土壤微生物与土壤N循环土壤微生物与土壤N循环③硝化作用:好氧时土壤微生物与土壤N循环①固氮作用N2NH3②氨化作用:有机氮NH4++SO42-+H2O④反硝化作用：在无氧条件下，硝酸盐还原成N2O或N2。⑤同化作用：无机氮转化成有机氮两类细菌亚硝酸细菌：NH4+NO2-硝化细菌：NO2-NO3-二、土壤微生物与土壤N循环根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。自生固氮自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）。共生固氮共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。联合固氮有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。土壤微生物与土壤N循环根瘤菌(rootnodulebacteria）是与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。已知全世界豆科植物近两万种。根瘤菌是通过豆科植物根毛、侧根杈口（