施用有机肥显著增加了土壤微生物生物量、基因拷贝丰度、呼吸活性和多样性。
编译：微科盟达达兔，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。
导读
论文ID
原名：Doesfreshfarmyardmanureintroducesurvivingmicrobesintosoiloractivatesoil-bornemicrobiota
译名：新鲜的有机肥是将存活的微生物引入土壤还是激活了土壤中的土传微生物群
期刊：JournalofEnvironmentalManagement
IF：6.789
通讯作者：MikhailV.Semenov
通讯作者单位：莫斯科多库恰耶夫土壤研究所
DOI号：10.1016/j.jenvman.2021.113018
试验设计
结果
1.牛粪有机肥的微生物群落组成
有机肥微生物群落包含许多共生和潜在的致病属。共生属中，嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia)(0.8%)、拟杆菌属(Bacteroides)(1.2%)、双歧杆菌属(Bifidobacteria)(0.2%)、棒状杆菌属(Corynebacterium)(9.7%)以及普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)(6.2%)和疣微菌科(Ruminococcaceae)(6.2%)均得到鉴定。潜在的人类和动物致病属相对丰度较高的是：Acetitomaculum，不动杆菌属(Acinetobacter)，梭状芽胞杆菌(Clostridioides)，人费克蓝姆菌(Facklamia)，黄杆菌属(Flavonifractor)，寡养杆菌属(Oligella)和泰氏菌属(Tissierella)。此外，还发现了3个后生古菌属：甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)，甲烷粒菌属(Methanocorpusculum)和甲烷菌属(Methanosphaera)。
图1.使用的新鲜有机肥的化学性质和微生物组组成。在属水平上，列出了微生物群落中前25个原核和真菌属的相对丰度。
2.土壤性质、微生物生物量C与基础呼吸
施肥土壤的总有机碳、全氮、碳氮比(表1S)显著高于未施肥土壤(p<0.001)。长期施用有机肥后，土壤总有机碳含量从1.0%增加到1.6%，全氮含量从0.11增加到0.16%，碳氮比从9.1增加到10.4(表1S)。施用有机肥并没有改变土壤pH值，2种处理的pH值均为6.1。
从4月到10月的5次采样中，未施肥土壤的微生物碳(MBC)和基础呼吸(BR)都是稳定的(图2a和b)。施肥前，施肥土壤的(MBC)和(BR)是未施肥土壤的2.7倍。施用有机肥后，第二次测定，MBC提高了2.1倍，BR提高了2.5倍。MBC和BR逐渐降低(130d后MBC降低1.3倍，BR降低1.6倍)，直到10月(图2a和b)。
3.利用RT-PCR估算土壤微生物基因拷贝丰度
4.土壤微生物的α多样性
除了10月份之外。施肥土壤微生物群落的Shannon指数高于未施肥土壤(图3a)。同时，长期施有机肥对土壤微生物群落的Shannon指数没有影响。与Shannon指数规律不同的是：在施肥前，未施肥和施过肥的土壤中检测到的属数相同(190-195)。在施肥后，发现的属数量急剧增加，7月份最高达到272个属。施肥土壤中检测到的属数下降到初始值(图3b)。
5.土壤和有机肥的β多样性
6.土壤微生物群落结构与组成
对相同样本的总(DNA)群落数据与代谢活性(RNA)群落数据进行比较(图3S)。在代谢活性菌群中，厚壁菌门(Firmicutes)，蓝藻门(Cyanobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)和变形菌门(Proteobacteria)的比例高于总菌群，而疣微菌门(Verrucomicrobia)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和酸杆菌门(Acidobacteria)的比例较低(图3S)。施肥两周后，施肥土壤中厚壁菌门(Firmicutes)含量较高，随后逐渐下降。
在属水平上，以下3个属代表了未施肥土壤中所有指定的核苷酸序列的43%：暂定种占23%，RB-41占15%，鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)占5%(图4S)。优势属还包括单胞菌属(Arenimonas)、苔藓杆菌属(Bryobacter)、CandidatusSolibacter、衣单胞菌属Chthonomonas、Massilia(图6；图4S)。与未施肥土壤相比，施用有机肥土壤中CandidatusUdaeobacter、CandidatusSolibacter)、衣单胞菌属(Chthonomonas)和RB-41减少了2到3倍。施用有机肥土壤中最具代表性的属是：酸杆菌属(Acidibacter)、不动杆菌属(Acinetobacter)、慢生根瘤菌属(Slowyrhizobium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、溶杆菌属(Lysobacter)、藤黄色单胞菌属(Luteimonas)、MND1、丰佑菌属(Opitutus)和假单胞菌属(Pseudomonas)(图6)。
在属的水平上具有代谢活性的原核生物群落与总群落相比存在很多差异(图5)。在RNA的数据中，主要优势菌群CandidatusUdaeobacter、RB-41和鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)的相对丰度非常小(小于1%)(图5)。相反，很多在DNA中丰度低的属却是代谢活性微生物群落的优势属。在施肥土壤的代谢活性类群中，一些源自有机肥的属也占主导地位：CandidatusUdaeobacter、拟杆菌属(Bacteroides)、不动杆菌属(Acinetobacter)、疣微菌属(RuminococcaceaeUCG-005)和疣微菌属(RuminococcaceaeUCG-010)(图5)。
7.有机肥微生物在土壤中的存活及其激活土传微生物群落情况
图7.几种土壤和肥料微生物属对肥料输入的响应。A)未施肥土壤中总(DNA)土传微生物；B)未施肥土壤中活性(RNA)土传微生物；C)有机肥输入激活的土壤微生物总量(DNA)；D)有机肥输入的土壤微生物活性(RNA)；E)有机肥引入的总(DNA)微生物；E)有机肥引入的活性(RNA)微生物。
讨论
1新鲜有机肥菌群以革兰氏阳性菌为主
前人的研究大多数集中在有机肥微生物群落中个体代表的生态学上，主要是人类病原体，比如大肠杆菌(Escherichia)或沙门氏菌(Salmonella)，这些都是革兰氏阴性菌。本研究中，在有机肥群落里，革兰氏阴性菌的2个优势种类是拟杆菌纲(Bacteroidia)和γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)。这些群组是典型的富养生物。研究表明，在有机肥中革兰氏阳性菌占主导地位。当环境条件不利时(比如水分不足、温度过高或过低)内孢子可以使芽胞杆菌属(Bacilli)和梭菌属(Clostridium)长期休眠。当环境条件有利时，内孢子可以重新激活自己，使菌落恢复到营养状态。放线菌菌丝可以适应适应高温、高盐和缺乏水分的条件。
牛肠道里的细菌群落主要以梭菌纲(Clostridia)，杆菌纲(Bacilli)(多为革兰氏阳性)，拟杆菌纲(Bacteroidia)和γ变形杆菌纲(Gammaproteobacteria)(多为革兰氏阴性)为主。牛饲料对牛肠道的微生物组成有显著影响。在用饲草喂养的牛中，肠道微生物群多样性较高，厚壁菌门(Firmicutes)丰度较高，拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度较低。当喂牛的饲料从高饲料向高精料过渡后，牛肠道里的微生物群落多样性降低。
本试验采用玉米、大麦麦秸和混合草料组成的普通饲粮。和牛的肠道群落相比，牛粪里有机肥的微生物群落组成大多数是依赖于排便前最后几周所消耗的饲料。特别是饲料里纤维和氮的含量决定了微生物群落的组成。大部分情况下厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacterioidetes)是优势菌群，但是当饲料的主要成分是未加工的玉米粒时，变形菌纲(Proteobacteria)也比较常见。此外，抗生素等杀菌剂和草甘膦等除草剂也会影响肠道和有机肥的微生物群落组成。
2新鲜牛粪有机肥的微生物群落组成揭示抗生素、高饲料和淀粉饲料的使用
新鲜牛粪有机肥的微生物群落的多样性很高，有很多系统发育和生态群组，包括古细菌产甲烷生物、共生细菌或潜在的人和动物病原体。其中有一些微生物群组可以作为奶牛生活条件的指标—饮食和抗生素的使用。本研究中，被激活的有机肥微生物群组中最丰富的属是不动杆菌属(Acinetobacter)(21.5%)。世界卫生组织有关“优先病原体”的数据显示，不动杆菌菌株对现代多种抗生素具有极强的耐药性。这种细菌可以寻找新的方法来抵抗抗生素的治疗，而且能传递遗传物质，使其他细菌也具有耐药性。所以，牛粪有机肥里的微生物组中不动杆菌属的丰度较高和长期试验农场对奶牛频繁使用抗生素的情况是一致的。
3大多数有机肥微生物无法在土壤中生存
本研究表明，土壤可以有效的缓冲外来微生物，比如病原体。由于前人的研究只考虑了施肥土壤中的微生物群落，没有对肥料本身的微生物群落进行分析，所以目前还没有研究它的主导机制。但是，最重要的因素可能是土壤比肠道更具有好氧的条件，所以导致氧敏感属的微生物消失。此外，肠道微生物的竞争性腐生能力在土壤中可能受到限制。土壤和掠食性群落中，碳源利用的局限性也影响到了外源微生物在土壤环境中的生存。最后，细菌从一个生态位移动到另一个生态位(特别是在有利条件下的土壤微生态位)，这个过程主要依靠降雨。本试验中，在施肥前后和取样期间至少7d没有降雨，这可能阻碍了微生物从有机肥中转移到土壤，也许是土壤外源性微生物群落存活较低的原因。虽然土壤可以有效的减少微生物污染，但是Acenitobacter的较高丰度表明抗生素的抗性基因转移到土壤上还存在问题。施用的有机肥中有残留抗生素和肠道耐药基因有助于增强环境中的水平基因转移。在有机肥微生物水平基因转移时，接合作用(细菌细胞间遗传物质的直接交换)的贡献可能不重要，在抗生素抗性基因向土壤微生物的水平转移时，遗传转化(细菌从其环境中吸收遗传物质的能力)可能会发挥关键作用。
4.施用新鲜有机肥可激活土壤中的土传微生物群
不感兴趣
看过了
取消
人点赞
人收藏
打赏
我有话说
0/500
同步到新浪微博
您的申请提交成功
您已认证成功，可享专属会员优惠，买1年送3个月！开通会员，资料、课程、直播、报告等海量内容免费看！