喀斯特地区土壤微生物功能多样性对生态演替的响应——以贵州茂兰国家自然保护区为例

利用BIOLOG ECO微平板法研究了喀斯特地区土壤微生物功能多样性对生态演替的响应情况。在研究区选取具有代表性的4个不同群落演替阶段:原生乔木林、次生乔灌混合林、灌丛、草坡,同时选择一个非喀斯特森林样地作为对照,对选取的不同生态系统土壤的微生物功能多样性进行研究。结果发现,随着乔木林逆向演替到灌丛的过程,微生物活性有逐渐降低的趋势,功能多样性对生态演替响应灵敏,土壤微生物在喀斯特地区比非喀斯特地区总体表现出更高的活性和丰富度,但群落均匀度较低,结构不稳定。主成分分析显示,演替使微生物的代谢模式产生了明显的分异,起主要分异作用的碳源是糖类、羧酸类和聚合物类。颜色变化率和主成分分析综合表明,演替进行到草坡阶段,较大的环境变化可能使土壤微生物采取了r-策略(r-strategistis)。根据逆向演替过程中土壤微生物功能多样性的变化,灌丛阶段可以视为岩溶生态系统整个演替阶段的阈值。     

岩溶滴水中痕量磷的测定及其古环境意义

为解决因洞穴滴水中磷酸盐含量低而无法了解磷的存在形式和分布特征这一问题,借鉴经典氢氧化镁共沉淀法,开发了集分离-富集-测定于一体的共沉淀-磷钼蓝分光光度法,用于定量测定岩溶滴水中PO43-。通过4个回收实验表明,岩溶滴水中痕量磷的回收率分别是99%、102%、95%和96%,达到定量分析的要求。对湖北清江和尚洞内HS4滴点2005—2012年的滴水样品中的磷酸盐进行测定,结果表明滴水PO43- (以P计)最大浓度为12.1μg/L,最小浓度为0.1μg/L,平均值为4.55μg/L。洞穴滴水中磷的浓度呈现季节波动,总体上夏、秋季高,冬、春季低,与同期的温度和滴水速率的季节变化相一致,较好地响应了气候和环境的变化。      

洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征

溶解有机质（DOM）是岩溶碳汇的关键部分和重要的碳源,但是对于DOM在岩溶含水层中的性质和代谢过程的研究仍然有限。本研究以重庆雪玉洞地下河为例,对洞穴有机碳的来源、组成以及微生物作用对季节补给源变化的响应进行探讨,为进一步了解微生物介导的有机碳转化过程提供研究基础。运用三维荧光EEM研究水体有色溶解有机质（CDOM）的性质和组分并反演地下河水中有机质的来源和组成,结合地下河水水化学特征和16S rDNA细菌群落及功能多样性的季节变化特征,以了解季节性补给源的变化对洞穴地下水DOM输入和性质的影响。结果发现,雪玉洞地下河水以微生物内源有机质为主（61%～77%）,降雨是引起岩溶给地下河水中CDOM光谱特征变化的最重要因素,雨季外源有机质输入增加,地下河水中外源有机碳组分含量和芳香性、腐殖酸类物质增加,细菌群落多样性和代谢功能基因随之变化,洞穴中向外输出的外源有机碳增加;旱季地下河水滞留时间和蒸发作用增强,因而微生物对有机质的代谢降解过程更加充分,向洞外输出的有机碳以内源为主。本研究有助于增加对岩溶洞穴地下水系统中微生物对有机碳转化过程的理解。     

岩溶洞穴滴水环境监测研究进展

通过对已有成果的疏理总结,前人的洞穴滴水环境监测研究取得了以下几个方面的主要认识:(1)滴水的氢氧同位素组成虽然基本反映了大气降水的同位素构成,但由于洞穴上覆岩层厚度及裂隙的差异等,导致滴水对降水时间响应不同,滴水氢氧同位素变化存在多样性。(2)滴水化学组成主要受到水—土—岩—气之间相互作用影响,其中的溶解无机碳同位素及有机酸等还受到上覆植被类型以及密度的影响。(3)洞穴物理环境条件是决定洞穴滴水—沉积物中氧碳稳定同位素能否达到平衡分馏的重要因素。(4)由于滴水化学组成指示气候环境变化仍存在多解性和不确定性,需要将洞穴监测研究从洞穴内部扩大到洞穴上覆土壤、植被等中间过程,建立立体监测体系。(5)目前的洞穴环境监测仍缺乏不同自然条件下的综合对比研究,有待今后开展和加强。      

土壤和围岩地球化学组成及气候对洞穴滴水水化学的影响——以湖北清江和尚洞为例

大气降水渗入土壤,穿过围岩,将气候与地表环境信息导入洞穴滴水,最终被洞穴沉积物所记录,因而研究土壤、围岩与洞穴滴水的地球化学组成及3者之间的联系对了解气候和环境信号的传递以及石笋古环境信息的正确解译十分重要。通过对比清江地区和尚洞上覆土壤、围岩与滴水的元素及锶同位素N(87Sr)/N(86Sr)地球化学组成特征,进而调查土壤和围岩对洞穴滴水水化学的影响。结果表明:滴水的n(Mg)/n(Ca)、n(Ba)/n(Ca)、n(Sr)/n(Ca)及N87Sr)/N(86Sr)介于土壤和围岩之间,说明滴水物质组成来自土壤和围岩的混合;滴水的n(S)/n(Ca)大于土壤和围岩,说明有第三端元的混入,可能是大气硫沉降的结果。通过模型计算可知,土壤和围岩对和尚洞滴水各元素组成的贡献并不相同,贡献的相对大小不仅与元素本身的地球化学性质有关,而且随气候和环境而发生变化。     

天然荧光物质作为岩溶地下水的示踪剂研究——以湖北清江和尚洞为例

天然荧光物质作为岩溶地下水的示踪剂的相关报道较少。在详细研究了湖北清江和尚洞岩溶滴水中荧光物质的光谱特征及其季节变化的基础上,探讨了天然荧光物质作为岩溶示踪剂的可行性。研究结果表明,和尚洞岩溶滴水中的主要荧光物质是富里酸,其特征波长对为: 激发波长304nm,发射波长407nm。在年季旋回中,荧光强度与滴水的氧同位素组成有一致的季节变化( r = 0. 539, p >0. 99)。滴水δ18O和荧光强度峰值( 5月,初夏)出现明显滞后于补给水(冬季降水) ,两者的时间差指示了岩溶水的滞留。因此,天然荧光物质作为一种新型的地下水的示踪剂,具有灵敏、经济及环保等特点,特别适合源头未知的岩溶水示踪。      

青藏高原多年冻土区土壤需氧可培养细菌多样性及群落功能研究

以青藏高原腹地不同植被类型多年冻土区土壤细菌为研究对象, 分析了可培养菌群数量、 多样性和生理代谢功能的变化及其与环境因子间的关系. 结果显示: 从沼泽草甸到高寒荒漠, 土壤水分、 总碳、 总氮含量逐渐降低, pH值升高, 可培养细菌数量在2.97×10⁶~2.88×10⁷ CFU·g^-1, 与含水量、 总碳、 总氮显著正相关; Actinobacteria(51.4%)和γ-Proteobacteria(31.7%)为优势菌群, α-protebacteria仅在沼泽草甸中有分布, β-protebacteria、 Bacterioidetes丰度与含水量、 总碳、 总氮间显著正相关; 自沼泽到荒漠, 菌群代谢活性和Shannon功能多样性指数降低, pH与Shannon指数显著负相关, 继氨基酸类碳源之后, 多聚物逐渐成为被细菌群落主要利用的碳源种类. 研究表明, 伴随冻土退化地上植被逆向演替的过程, 青藏高原多年冻土地下土壤微生物群落丰度、 遗传和代谢功能多样性均发生了不同程度的响应.     

湖北清江和尚洞洞穴滴水脂肪酸分布特征及其古生态意义

对采自湖北省清江和尚洞滴水样品,采用XAD大孔径树脂吸附法及气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)检测出种类丰富的脂肪酸,包括直链(nC12:0～nC30:0)与支链(iC14:0～iC26:0,及aC15:0和aC17:0)饱和脂肪酸,直链单不饱和脂肪酸(nC15:1,nC16:1,nC17:1和nC18:1),多不饱和脂肪酸(nC18:2)及微量的支链不饱和脂肪酸(iC17:1).滴水脂肪酸分布特征显示有机质以微生物来源为主,兼有高等植物贡献.占优势的偶碳直链饱和脂肪酸(主要是nC16:0,nC18:0和nC14:0),含量相对较高的单不饱和脂肪酸及多不饱和脂肪酸可能主要来源于地下水微藻.滴水中还检出含量较高的nC17:1和nC15:1及微量的iC17:1和iC15:1,它们很可能来自洞顶土壤厌氧层中的硫酸盐还原菌.洞顶土壤、滴水与现代石笋碳酸钙沉积脂肪酸分布对比揭示,石笋有机质主要来源于土壤,也有地下水微生物及洞穴原地微生物贡献.     

柴油污染地下水修复生物反应墙中功能微生物数量及群落多样性

利用功能微生物、泥炭和含水层介质构建生物反应墙原位修复柴油污染地下水,系统经调试稳定后运行80 d,目标污染物去除率为83.60%~99.85%。运行期结束,采用荧光素-最大或然数和Biolog方法研究了生物墙内不同位置处功能微生物的数量及群落多样性。结果表明：墙体内各处均能保持较高的功能微生物数量,且微生物群落的物种数、丰富度、均一性、碳源利用性以及代谢特征均相似;但随着生物墙深度的增加,功能微生物比例有所下降,微生物群落略显丰富,但均一性略差,碳源利用倾向略微不同。生物反应墙原位修复地下水时,功能微生物能够长期保持较高的数量、较好的降解性能和稳定的群落多样性;但随着墙体深度的增加,营养结构发生了改变,导致微生物群落结构略显不同。     

岩溶地区现代土壤与洞穴石笋中单甲基支链烷烃与烷基环己烷对比研究

利用GC-MS（气相色谱—质谱仪）,对采自湖北清江流域和尚洞洞顶的土壤样品与洞内石笋样品进行分析,发现土壤中存在的七个系列单甲基支链烷烃在所有的石笋样品中均可以找到,呈现相似的分布模式,石笋中七个系列支链烷烃有可能来自洞穴滴水携带的土壤中的支链烷烃,但是也不能排除石笋原地生长的微生物的贡献。烷基环己烷的分布在土壤与石笋中呈现了相似的分布模式,但是主峰碳数有所变化,高碳数部分与低碳数部分的相对含量也发生了变化。主要原因可能是微生物选择性降解的结果,也有可能是土壤与石笋中微生物种类分布差异所造成的。本次研究初步显示了相对封闭稳定的洞穴沉积物与上覆土壤层中生物标志化合物的异同。      

Hydrogen-isotopic variability in fatty acids from Yellowstone National Park hot spring microbial communities

We report the abundances and hydrogen-isotopic compositions (D/H ratios) of fatty acids extracted from hot-spring microbial mats in Yellowstone National Park. The terrestrial hydrothermal environment provides a useful system for studying D/H fractionations because the numerous microbial communities in and around the springs are visually distinct, separable, and less complex than those in many other aquatic environments. D/H fractionations between lipids and water ranged from −374‰ to +41‰ and showed systematic variations between different types of microbial communities. Lipids produced by chemoautotrophic hyperthermophilic bacteria, such as icosenoic acid (20:1), generally exhibited the largest and most variable fractionations from water (−374‰ to −165‰). This was in contrast to lipids characteristic of heterotrophs, such as branched, odd chain-length fatty acids, which had the smallest fractionations (−163‰ to +41‰). Mats dominated by photoautotrophs exhibited intermediate fractionations similar in magnitude to those expressed by higher plants. These data support the hypothesis that variations in lipid D/H are strongly influenced by central metabolic pathways. Shifts in the isotopic compositions of individual fatty acids across known ecological boundaries show that the isotopic signature of specific metabolisms can be recognized in modern environmental samples, and potentially recorded in ancient ones. Considering all sampled springs, the total range in D/H ratios is similar to that observed in marine sediments, suggesting that the trends observed here are not exclusive to the hydrothermal environment.     

Soil bacterial functional diversity as influenced by cadmium,phenanthrene and degrade bacteria application

There are increasing concerns over compound pollution in northeast of China and its bioremediation. Cd, Phe, degradation bacteria W.J and their combination on soil microbial community function were assessed with the BIOLOG method. The microbial community was extracted from the soil with different treatments. Average color development, richness, Shannon–Weaver index, and principal component analysis on OD standardized data were performed. The results showed that soil microbial metabolic diversity in CK was significantly higher than that in the soils in which Cd, Phe, W.J or their combination was added. It indicated that Cd, Phe has significantly negative effect on the sole-carbon-source metabolic ability of soil microbial communities, particularly when both of them were present. Application of degradation bacteria incubation makes soil microbial communities same as control except for the significant decrease in 4-hydroxy benzoic acid, l-serine, glucose-1-phosphate metabolism. It shows that the incubate application has a considerably effect in soil communities reversion.     

白云岩洞穴洞口弱光带的苔藓群落特征——以绥阳水洞为例

白云岩洞穴是喀斯特山区特有的生境之一,其洞口弱光带发育了独特的苔藓植物群落。文章以贵州绥阳县的水洞为例,探讨了白云岩洞穴洞口弱光带的苔藓群落物种组成、类型及生态分布特征。2015年4月到9月对水洞进行三次野外标本采集,共采集60个样方中的苔藓植物,记载了该洞穴典型苔藓群落47个。研究揭示:（1）该洞物种组成丰富,种类由17科34 属55 种组成,是中国已知苔藓物种最丰富的洞穴; (2)生活型单调,仅有四种类型,分别是交织型(47.27%)、矮丛集型(34.55%)、平铺型(9.09%)和高丛集型(9.09%);（3）根据生长基质不同,划分了4种苔藓群落大类型,分别是钙土苔藓群落、白云石生苔藓群落、钙华苔藓群落和水生苔藓群落,该洞钙华沉积不显著,仅有少量比例的钙华苔藓群落;（4）苔藓植物分布在从洞口到洞深37 m范围,随着光照强度从洞口至洞穴深处的变弱,苔藓群落由多物种群落变化为单一物种群落。      

洞穴地球微生物研究进展

以洞穴内生长的微生物为切入点,着重论述了近年来洞穴地球微生物的鉴定技术,如Biolog全自动微生物鉴定系统、克隆文库测序法、遗传指纹图技术、变性梯度凝胶电泳和温度梯度凝胶电泳、荧光原位杂交法、稳定同位素探针法以及各种技术的利弊,总结了洞穴地球微生物在微生物多样性及其在洞穴堆积物形成作用方面所取得的进展,预测了洞穴地球微生物今后的发展动向。     

海底热液活动区地微生物学研究中的分子生物学技术

海底热液活动区微生物生态及其相关研究一直是近年来海洋地微生物学研究的热点之一。有关发现不断挑战着人们对微生物的代谢机理、生存极限、元素地球化学循环作用等方面的传统认识。与传统的富集培养方法相比,主要基于16S rRNA基因和特征性功能基因系统的发育分析等技术为研究这一极端环境中栖息的微生物群落提供了更为系统和全面的手段。这些技术包括基因文库构建(16S rRNA和其它功能基因)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)、荧光原位杂交(FISH)以及定量PCR等。目前,上述技术手段广泛应用于全球海底热液活动区地微生物学的研究,在丰富地球物种多样性、调查微生物参与的元素地球化学循环过程、研究微生物与矿物的相互作用以及生命起源与演化等方面取得了大量的研究成果。简要介绍了常规分子生物学技术的基本原理及其在海底热液活动区地微生物学研究中的应用现状。     

岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS对某室内模型试验进行了数值模拟,验证了三维有限元法进行洞室结构稳定性分析的可靠性。结合永武（永安-武平）高速公路A11合同段岩溶地质资料,将溶洞近似为与实际相近的椭球状,建立岩溶区路堤的三维有限元模型,分析溶洞顶板厚度、填方高度、溶洞位置以及溶洞充填状况对路堤及溶洞顶板稳定性的影响。为与现行顶板安全厚度确定方法进行比较,进行二维平面应变有限元分析。研究表明,对于较完整的顶板岩层,按顶板受拉破坏稳定安全系数为4确定的安全厚度过于保守,按梁板理论弯曲受拉破坏确定的安全厚度也偏于保守,是由于实际顶板岩层并不完全符合梁板理论的简化假设,而以有限元分析所得最大弯矩按梁板弯曲受拉破坏确定的安全厚度最为经济;实际工程中三维效应明显的溶洞,现行理论简化和二维数值分析法都较为粗糙,宜采用三维数值分析法。通过对上述问题的分析,为该高速公路岩溶区填方路段的设计和溶洞的处治与否提出指导性意见,已创造较好的经济效益和社会效益,可供类似工程应用时参考。     

基于地面激光扫描的喀斯特洞穴制图研究

近年来,地面激光扫描在喀斯特洞穴领域的应用与研究日益广泛,其高精度测量与多样化的成果表达方式相较于传统手段优势明显。它不仅可以全方位记录洞穴要素并进行虚拟化展示,还可以构建洞道和沉积景观模型,最为关键的是毫米级的误差精度对于喀斯特洞穴空间形态计量研究有着革命性的突破,那么该如何通过海量点云精确绘制洞穴图并对洞穴要素进行制图表达成为首要解决的问题。本文以贵州潜龙洞为例,通过对三维激光点云进行处理,辅以第三方软件绘制潜龙洞平面图、剖面图和横断面图,并对洞穴要素图像化自动提取与制图表达进行探讨,对于提高洞穴制图精度、规范洞穴制图标准、科学构建洞穴地理空间数据库以及指导洞穴合理规划与开发等方面将有着重要意义。      

山东半岛九天洞洞穴环境变化特征与影响因素

选取旅游洞穴九天洞为研究对象,对洞穴环境变化特征及影响因素进行分析,探讨旅游活动和外界环境变化对洞穴环境变化的影响,以期能够为旅游洞穴的保护与合理开发提供科学依据。结果表明:（1）九天洞受外界气温变化的影响呈夏季高冬季低的特征,且洞穴温度略高于当地平均温度,这与洞穴通风、旅游活动、监测时间等因素有关;（2）洞内相对湿度与洞内空气温度呈较好的负相关关系,洞内相对湿度的变化主要受控于温度,呈夏季低冬季高的变化特征;（3）九天洞CO2浓度的季节变化特征为夏秋季高冬季低,与气候变化导致的植被和微生物活动以及滴水速率的变化有关;（4）距洞口越远的监测点空气温度、相对湿度的变化幅度越小,CO2浓度越高,说明距洞口越远受洞外气候变化以及洞穴通风的影响越小;（5）九天洞各监测点pH值和电导率主要与外界气候变化有关,对气候变化响应敏感,在降水偏少的干旱年,监测点pH值偏高,电导率偏低。      

Precipitation of iron in microbial mats of the spring waters of Borra Caves,Vishakapatnam, India: some geomicrobiological aspects

The Borra caves, Vishakapatnam, India, can be described as a speleothem cave with significant amounts of unexplored microbial mats in spring waters. Here, we present the first observations and hypotheses on the possible impact of the microorganisms in these mats on the cave formation, focusing on their role on iron mineral precipitation. The spring waters (pH neutral 7.5–7.7) contained dissolved metals like iron and the organic mat sludge (pH 7.0–7.3) had a TOC content of approximately 5.4 wt%. Geochemically, the spring waters deep below the microbial mats contained Fe 369 ppb, Sr 198 ppb; and the organic mat sludge contained Mg 9 ppm, Fe 427 ppb, Zn 149 ppb, Sr 190 ppb. XRD observations displayed Fe minerals (dominantly hematite), minor amounts of zinc gallium sulfide and nitrofuryl compounds. At least four groups of bacteria identified by direct microscopy and SEM-EDX on the basis of morphology could be observed in all samples: Leptothrix-like organisms, entombed bacterial mineral sheaths, a few stalks of Gallionella-like organisms and some additional bacteria that could not be further identified. Leptothrix-like organisms contained 43.22–60.08 wt % Fe and the mineral precipitated near and around these bacteria (in the actual unaltered samples on site) contained 30.76–45.22 wt% Fe as identified and quantified by SEM-EDX. This study indicates that the precipitation of these iron-rich mats in the spring waters could be linked to the presence of abundant active communities of iron precipitating bacteria at Borra caves, Vishakapatanam.     

Effect of co-existing plant specie on soil microbial activity under heavy metal stress

The influence of plant primary compounds on the activity of soil microbial communities under heavy metal stress was studied in a pot-culture field experiment conducted in a green house. Amaranthus spinosus was cultivated in an agricultural soil previously amended in the laboratory with solutions of different trace elements in two separate treatment modes: singly and in combination. Culture-independent metabolism based indices such as the rate of carbon and nitrogen mineralization, microbial biomass carbon and soil basal respiration were monitored fortnightly over a period of six weeks. Result shows that plant detritus have significant modifying effect on soil microbe-metal interactions. Data on microbial and biochemical processes in the respective mesocosms did not vary from control; not even in mesocosms containing very high concentrations of copper, zinc and nickel. The soil microbial biomass carbon and the rate of carbon and nitrogen cycling were not impeded by the respective metal treatment while the respiration responses increased as a result of increase in metabolic activity of the soil microbes. The plant based substrates enabled the soil microflora to resist high metal contamination because of its tendency to absorb large amounts of inorganic cations.