土壤溶解性有機(jī)質(zhì)生物降解研究進(jìn)展生態(tài)科學(xué)

1、35(2):183188第35卷第2期2016年3月 /6 /6生態(tài)科學(xué)Mar.2016EcologicalScience賈華麗，郗敏，孔范龍，等.土壤溶解性有機(jī)質(zhì)生物降解研究進(jìn)展J.生態(tài)科學(xué)，2016,35(2):183188.JIAHuali,XIMin,KONGFanlong,etal.ResearchprogressonthebiodegradationofsoildissolvedorganicmatterJ.EcologicalScience,2016,35(2):183188.土壤溶解性有機(jī)質(zhì)生物降解研究進(jìn)展賈華麗，郗敏*,孔范龍，李悅，喬婷青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院山東青島26

2、6071【大綱】溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是土壤有機(jī)質(zhì)中最簡(jiǎn)單被微生物利用的一部分，是土壤微生物代謝重要的物質(zhì)和能量來(lái)源。DOM的生物降解反響了其牢固性及在物質(zhì)、能量代謝中的作用，對(duì)土壤的碳循環(huán)和大氣的溫室效應(yīng)有重要影響。目前，相關(guān)DOM生物降解的研究主要集中在降解過(guò)程的表征及其影響因素兩大方面，該文對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了綜述。表征指標(biāo)可以歸納為降解率、降解速率、半衰期等礦化動(dòng)力學(xué)指標(biāo)和光譜指標(biāo)兩大類；降解過(guò)程直接取決于DOM分子大小、結(jié)構(gòu)和微生物群落、數(shù)量和活性等直接影響因素，而土層深度、土壤濕度、溫度、土地利用和管理方式、pH等間接因素經(jīng)過(guò)影響DOM的組成結(jié)構(gòu)及微生物的性質(zhì)進(jìn)而影響DOM的降解過(guò)程。

3、在此基礎(chǔ)上，論文指出了目前國(guó)內(nèi)研究中存在的問題，并提出了進(jìn)一步研究的方向。要點(diǎn)詞：溶解性有機(jī)質(zhì)；生物降解；表征指標(biāo)；影響因素doi:10.14108/ki.1008-8873.2016.02.027中圖分類號(hào)：X144文件表記碼：A文章編號(hào)：1008-8873(2016)02-183-06ResearchprogressonthebiodegradationofsoildissolvedorganicmatterJIAHuali,XIMin*,KONGFanlong,LIYue,QIAOTingCollegeofChemicalandEnvironmentalEngineering,Qingd

4、aoUniversity,Qingdao266071,ChinaAbstract:DOMasoneofthemostreadilyusedpartsofthesoilorganicmatteristheimportantmaterialandenergysourcesforsoilmicrobialmetabolism.ThebiodegradationofDOMreflectsitsstabilityandtheirreplaceableroleinthemetabolismofmaterialandenergy,whichhasagreatimpactonthecarboncycleins

5、oilandgreenhouseeffectintheatmosphere.PresentresearchonbiodegradationofDOMmainlyfocusesonthecharacterizationofdegradationprocessandtheinfluencefactors.Herein,wesummarizethesetwoaspectsinthispaper.Theindicatorscanbeconcludedintotwocategories,thespectralindexandmineralizationkineticsindex,includingthe

6、rateofdegradation,degradationrateandhalf-lifeofDOM.ThedegradationprocessdependsdirectlyonthemolecularsizeandchemicalstructureofDOMandthecommunity,numberandactivityofmicrobe.Meanwhile,theprocessisalsoinfluencedbythedepthofsoil,soilmoisture,temperature,pH,landuseandmanagementmanner.Giventhis,wepropose

7、thedirectionoffurtherstudyaftersumminguptheshortcomingsofrelevantstudies.Keywords:dissolvedorganicmatter;biodegradation;indicators;influencefactors過(guò)0.45um微孔濾膜的，能溶于水的有機(jī)物的總稱刖言溶解性有機(jī)質(zhì)(DissolvedorganicMatter,DOM)詳盡包括可溶性有機(jī)碳(DOC)、可溶性有機(jī)氮(DON)和可溶性有機(jī)磷(DOP)等。土壤DOM主要本源于新近凋零物和土壤腐殖質(zhì)是由一系列大小、結(jié)構(gòu)不同樣的分子組成的，且能通*,含量很低，只

8、有幾個(gè)到184生態(tài)科學(xué)35卷2期賈華麗，等.土壤溶解性有機(jī)質(zhì)生物降解研究進(jìn)展185 /6 /6幾百個(gè)Cmg/L,占土壤總有機(jī)質(zhì)的一小部分，但倒是土壤中最活躍的有機(jī)碳庫(kù)。DOM的生物降解是指土壤微生物對(duì)有機(jī)化合物的利用3,可以減少可溶性有機(jī)物的淋失，防備對(duì)地下水的污染4。降解過(guò)程還可減少土壤中02的含量并供應(yīng)甲烷產(chǎn)生作用和反硝化作用需要的電子，進(jìn)而調(diào)治土壤溫室氣體CH4、N20的產(chǎn)生5。其他，研究D0M的生物降解對(duì)認(rèn)識(shí)土壤養(yǎng)分的循環(huán)擁有重要意義。為研究不同樣土壤條件下D0M的生物降解現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從降解過(guò)程和影響因素等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究，歸納起來(lái)，研究中主要涉及了生物降解過(guò)程的表征、降解過(guò)程

9、的影響因素兩大方面。本文就此對(duì)目前相關(guān)土壤D0M生物降解及其影響因素的研究進(jìn)行了綜述，旨在認(rèn)識(shí)不同樣環(huán)境條件下D0M的生物降解體系。2D0M生物降解的表征目前，相關(guān)D0M生物降解過(guò)程的研究主要包括其濃度的動(dòng)向變化和組成結(jié)構(gòu)的變化，分別用礦化動(dòng)力學(xué)指標(biāo)和光譜指標(biāo)來(lái)表征，其中，礦化動(dòng)力學(xué)指標(biāo)包括降解率、降解速率和半衰期等，光譜指標(biāo)則主要為紫外可見吸取光譜和腐殖化指數(shù)。2.1礦化動(dòng)力學(xué)指標(biāo)礦化動(dòng)力學(xué)指標(biāo)主要包括降解率、降解速率和半衰期等，主要用于量化降解過(guò)程中溶解性有機(jī)碳、氮的變化情況。2.1.1降解率和降解速率D0C的降解率是指培養(yǎng)結(jié)束時(shí)減少的D0C量占初始D0C的比率，即易降解D0C的百分含量；

10、降解速率則用于描述降解的快慢。平時(shí)用雙指數(shù)衰變模型7來(lái)表示兩者之間的關(guān)系其表達(dá)式為：節(jié)余的溶解性有機(jī)碳（%）=（10-b）e-k1t+b（Tk2t其中,I為牢固DOC的百分含量（%）,（100-b）為易降解的百分含量（%）,k為易降解DOC的礦化速率常數(shù)（d）,21為牢固DOC的礦化速率常數(shù)（d-）,為時(shí)間（d）。學(xué)者們對(duì)森林、農(nóng)田等土壤中D0M生物降解所睜開的研究中用其表征降解過(guò)程中D0C的濃度變化，DON的降解也同樣吻合一個(gè)雙指數(shù)的一次衰變模型6。研究中DOC、DON降解速率的一般規(guī)律為：培養(yǎng)初期，易降解部分優(yōu)先降解，降解速率較快，3-4,6,8-10隨著該組分的不斷耗資，降解速率逐漸減慢

11、。降解率則受土壤本源、性質(zhì)等外面因素的影響而不11-12盡同樣，Kiikkil?等對(duì)落葉林和針葉林的研究表示，森林枯落物層DOC的降解率為25%-32%,腐殖質(zhì)層為10%-20%;而水稻土中DOC的降解率則t13-14為30%-70%不等。2.1.2半衰期半衰期是指不同樣組分的濃度經(jīng)過(guò)生物降解反響降低到初始濃度的一半時(shí)所耗資的時(shí)間。依照DOC不同樣組分的半衰期不同樣可將其分為易降解（不穩(wěn)定）DOC和難降解牢固）DOC兩部分。各組分半衰期的計(jì)算方法為:不牢固DOC的半衰期=ln2X（k）-111牢固DOC的半衰期=ln2X（k）-12其中，1k為不牢固DOC的礦化速率常數(shù)（d）,2為穩(wěn)定DOC的

12、礦化速率常數(shù)（d）SchwesigD8、汪景寬6、禹洪雙14等人分別對(duì)不同樣森林、水稻土壤中DOC生物降解的半衰期進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)易降解DOC的半衰期都在1-2天，而難降解DOC受其結(jié)構(gòu)的影響，半衰期在幾十到幾百天不等，此規(guī)律同樣適用于DON的降解情況6。2.2光譜指標(biāo)降解過(guò)程中，光譜特色常被用于研究DOM的組成結(jié)構(gòu)，其理論基礎(chǔ)是不同樣有機(jī)物所含的基團(tuán)對(duì)不同樣種類和長(zhǎng)度的光波擁有各自的吸取特色15。目前，用于議論DOM降解過(guò)程的光譜指標(biāo)主要包括SUVA254,UV260,UV280,E240/E420,E465/E665,E250/E365和腐殖化指數(shù)。280nm處DOM的紫外吸取值（UV28

13、0）和腐殖化指數(shù)（HIXem）被寬泛用于議論DOM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和分解特色，一般認(rèn)為，值越高其中含有的芳香性16-178,13-14,化合物越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。學(xué)者們對(duì)不同地域DOM生物降解的研究指出，培養(yǎng)過(guò)程中UV280呈先上升，達(dá)到最大值后又下降的趨勢(shì)，主若是由于培養(yǎng)先期易降解的組分優(yōu)先被微生物利用，以致溶液中芳香性物質(zhì)比率增加，當(dāng)易降解組分分解完成后芳環(huán)物質(zhì)開始被微生物利用，進(jìn)而以致其比率下降。一般情況下，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，DOM的腐殖化指數(shù)（HI&）增加4，15也表示隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，溶液中結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的芳香性化合物和難降解組分比率增加。但是，培養(yǎng)過(guò)程中，高微生物活性可能會(huì)引起基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)的快速耗

14、資，以致部分微生物死亡，將簡(jiǎn)單降解的細(xì)胞成分釋放到DOM溶液中18,也會(huì)改變UV280和HIXem變化趨勢(shì)。其他，254nm處的摩爾吸光度(254nm吸光系數(shù)與DOC濃度值比)可示蹤DOM的芳香性，值越大表示有機(jī)物越難被分解和利用19；240nm與420nm處吸光度的比值(E240/E420)可用來(lái)比較不同樣本源20-21D0M對(duì)紫外光和可見光吸取能力的相對(duì)關(guān)系；250nm與365nm處的吸光值之比(E250/E365)可以較好地反響DOM的分子情況，E250/E365越大,則分子質(zhì)量越小22;260nm處的吸光度可表示DOM疏水組分的比率23;465nm和665nm處的吸光度之比(E465/

15、E665)可表征DOM的芳香性和腐殖化程度24-253影響因素DOM的生物降解主要包括其能否被生物降解(即生物可利用性)以及可被降解部分的降解程度。首先，作為直接影響因素，DOM的組成結(jié)構(gòu)決定著其生物可利用性；微生物則主要影響DOM的降解程度。其次，土層深度、土壤濕度、溫度、土地利用和管理方式、pH等因素又共同作用在影響DOM的組成結(jié)構(gòu)和微生物的基礎(chǔ)上間接影響DOM的生物降解。3.1直接影響因素3.1.1分子大小及結(jié)構(gòu)TOC o 1-5 h z分子大小及其結(jié)構(gòu)是影響DOM能否被生物降解的決定性因素，也是決定DOM生物降解能力的最本質(zhì)因素。大部分學(xué)者認(rèn)為，分子量越小的DOM分子越簡(jiǎn)單被微生物吸取

16、，優(yōu)先降解21,26,27比方Kiikkil?(等27研究發(fā)現(xiàn)，分子量1000Da的DOM比分子量處于1-10,10-100及100kDa以上的DOM的降解性和生物可利用性高。但也有部分學(xué)者認(rèn)為，高分子量DOM組分中的多糖可以被細(xì)菌快速的礦化,比低分子量的DOM更能支持微生物的生產(chǎn)28。就DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)其生物降解的影響而言，學(xué)者們寬泛認(rèn)為：蛋白質(zhì)類和糖類物質(zhì)都比較簡(jiǎn)單被生物降解，而且可以在DOM的降解過(guò)程中優(yōu)先被微生物利用29-31;而擁有芳香性結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)等29,32-3434的降解能力都很低。KalbitzK等發(fā)現(xiàn)，從森林土壤提取的DOM的生物降解能力與芳香性結(jié)構(gòu)的含量負(fù)相關(guān)。3.1.2

17、微生物在DOM的生物降解過(guò)程中，微生物是決定其降解程度的直接影響因素，主要從數(shù)量、活性和種群結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)。研究表示，微生物對(duì)不同樣化合物的降解不但取決于DOM的化學(xué)結(jié)構(gòu)，還與微生物的種群特色相關(guān)35,而且微生物的影響更為重要36,由于微生物只對(duì)其相應(yīng)的DOM起作用。SchmerwitzJ分別將來(lái)自于櫸林、云杉林、泥炭地和農(nóng)田土壤的DOM溶液接種原位細(xì)菌混雜液進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其生物降解的能力取決于實(shí)驗(yàn)所用微生物的種類和本源18。YoungKC36的研究表示土著細(xì)菌最有利于DOM的生物降解。其他，微生物的數(shù)量越多，活性越高，其代謝速率越快對(duì)DOM的降解速率則越快。3.2間接影響因素土層深度土層

18、深度作為DOM生物降解的間接影響因素，主要經(jīng)過(guò)影響DOM的含量及牢固性來(lái)影響其生物37-38降解。部分學(xué)者認(rèn)為土層越深，降解能力越低，這主若是由于隨著深度的增加，難降解化合物增加?？追洱埖?9研究了三江平原典型環(huán)形濕地土壤DOC剖面分布及儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)，D0C隨土層深度增加而不斷減小的原因是隨著土壤深度的增加，可供土壤微生物利用的有機(jī)質(zhì)減少。也有學(xué)者認(rèn)為，DOM的生物降解能力隨土層深度的增加而增加40。ScottEE40經(jīng)過(guò)對(duì)6種不同樣土壤DOM動(dòng)向變化的研究得出了一個(gè)DOM動(dòng)向變化的模型：新輸入的高吸附疏水化合物可取代先前吸附的微生物降解副產(chǎn)品-富氮的弱親水化合物，這些親水化合物遷移到深層土壤中，

19、以致土壤滲濾液的生物降解能力隨深度的增加而增加。因此，過(guò)去各研究中關(guān)于DOM生物降解隨土層深度的變化趨勢(shì)不盡同樣，可能是與土壤類型、含水量、溫度等其他因素共同作用所致，有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究證明。土壤濕度土壤濕度作為DOM生物降解的主要影響因子之一，主要經(jīng)過(guò)增加微生物的活性和數(shù)量來(lái)加速DOM的降解速率。第一，土壤濕度適當(dāng)提高，微生物的活性加強(qiáng)，研究表示，土壤濕度在土壤飽和含水量的50%-80%時(shí)，土壤微生物的代謝活動(dòng)最大41o其次，微生物的數(shù)量隨土壤濕度的增加而增加，王君等42的多重干濕交替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示溶解性有機(jī)碳在復(fù)水后有所減少主若是由于復(fù)水刺激了微生物的大量生殖，使得土壤中的溶解性有機(jī)碳短時(shí)間

20、內(nèi)被微生物分解礦化，以便自己生長(zhǎng)生殖的需要。3.2.3溫度溫度影響著DOM的組成結(jié)構(gòu)和微生物的活性，不同樣溫度條件下，DOM的生物可利用性和降解速率不同樣，進(jìn)而影響DOM的生物降解過(guò)程。WangH等43研究發(fā)現(xiàn)，升溫增加了DOM的腐殖化程度以致其組分中芳香物質(zhì)含量的增加，生物可利用性TOC o 1-5 h z降低，與Li4、LiMT45等的研究一致。vonLUtzowM46研究發(fā)現(xiàn)，牢固碳庫(kù)比不牢固碳庫(kù)對(duì)溫度敏感，由于牢固碳庫(kù)的降解需要高的活化能。但是，溫度47-0高升，微生物的活性加強(qiáng)，代謝速率加速，進(jìn)而加速了對(duì)DOM的利用速率以致DOM的降解速率加速。因此，溫度高升可增加芳香性物質(zhì)的含量，

21、控制DOM的生物可利用性；而微生物的活性隨溫度高升而增加，進(jìn)而加速其降解速率。3.2.4土地利用和管理方式土地利用方式的變化是指耕作、種植制度和植被覆蓋種類的變化，可以改變土壤理化性質(zhì)和DOM的本源，進(jìn)而影響微生物的活性和DOM的組成結(jié)構(gòu)，改變DOM的生物降解特色。第一，土地利用方式不同樣程度加強(qiáng)了土壤的通透性和松懈程度，改進(jìn)了微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)的環(huán)境，特別是微生物較易利用的溶解性有機(jī)碳6。其次，不同樣土地利用方式下DOM的生物有效性不同樣。GuoYD等51研究了長(zhǎng)遠(yuǎn)復(fù)墾對(duì)三江平原溶解碳濃度和特色的影響指出，濕地退化使得DOC腐殖化結(jié)構(gòu)變簡(jiǎn)單，生物有效性提高。其他，植被覆蓋的不同樣，以致進(jìn)入

22、土壤的凋零物有所不同樣，進(jìn)而使本源于此的DOM的生物降解率不同樣。王春陽(yáng)等15對(duì)黃土高原不同樣植物凋落物可溶性有機(jī)碳的生物降解率研究表示，喬木類(60.8%)灌木類(58.6%)草本類(49.7%)。土地管理方式的不同樣主要表現(xiàn)在施肥，即外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入，可改變DOM的組成結(jié)構(gòu)，影響其生物降解。禹洪雙等14對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)不同樣施肥辦理水稻土溶解性有機(jī)碳降解特色進(jìn)行研究指出，施化肥降低DOC降解率，而配施秸稈、豬糞等有機(jī)肥則顯然增加DOC的降解率，可能是由于施化肥，特別施用N、P養(yǎng)分，促進(jìn)了C、N、P的平衡周轉(zhuǎn)，降低了DOC易降解組分；而施有機(jī)肥顯然增加土壤中易降解DOC含量，增加了DOC的降解率。

23、LiuM等52研究表示，外源性P的加入使河岸濕地中DOC的熒光光譜出現(xiàn)藍(lán)移，主若是由于P的加入使得DOC的分子量和芳香性減小，生物可利用性增加。3.2.5pH仿佛其他間接影響因素，pH主要經(jīng)過(guò)影響微生物的數(shù)量、活性和DOM的結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響DOM的生物降解，隨著pH的增加，微生物的數(shù)量和活性加強(qiáng)，DOM的生物可利用性增加。研究表示53，第一，pH可以改變DOM中芳香性物質(zhì)的含量，如低pH可以增加DOM中多酚的含量，降低其生物可利用性；其次,適當(dāng)提高pH可增加土壤微生物的數(shù)量和活性，進(jìn)而加速微生物對(duì)DOM的利用速率，比方，增加土壤酸度將以致氮礦化作用和呼吸強(qiáng)度提高2。因此，適當(dāng)提高pH有利于DOM的

24、生物降解。3.2.6其他除上述因素外，土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)素、鹽分，CO2濃度等都可以影響DOM的生物降解。研究表示，過(guò)分的土壤重金屬污染物影響微生物數(shù)量、活性和種群結(jié)構(gòu)54，進(jìn)而影響DOM的生物降解過(guò)程。CO2濃度高升可刺激溶解性碳水化合物的產(chǎn)生，引起微生物生物量的增加，加速微生物對(duì)DOC的吸取利用，最后以致土壤DOC分解速度加速55。4存在問題和展望近來(lái)幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤DOM生物降解睜開的研究大多限制于對(duì)某一時(shí)期不同樣土壤中DOM生物降解方面，關(guān)于不同樣影響因素的作用體系研究則較少，而且在野外自然狀態(tài)下，其根本驅(qū)動(dòng)因子并未可知，因此，今后的研究工作應(yīng)該加強(qiáng)不同樣時(shí)期、不同樣土壤種類

25、、不同樣土層深度、濕度等各因素對(duì)DOM生物降解相互作用關(guān)系及體系的研究，找出自然狀態(tài)下影響DOM生物降解的主要因素。目前對(duì)DOM生物降解的研究主要集中在DOC的生物降解方面，對(duì)DON、DOP的研究?jī)H局限于外國(guó)少許學(xué)者睜開的DON、DOP對(duì)DOC生物降解影響的研究，而作為DOM的重要組成部分，DON、DOP對(duì)土壤N、P循環(huán)及DOC的轉(zhuǎn)變擁有重要意義，因此，應(yīng)該加大對(duì)DON、DOP生物降解的研究力度。2期賈華麗，等.土壤溶解性有機(jī)質(zhì)生物降解研究進(jìn)展1872期賈華麗，等.土壤溶解性有機(jī)質(zhì)生物降解研究進(jìn)展187 /6 /6在全球溫室效應(yīng)的背景下，土壤作為溫室氣體的重要本源越來(lái)越碰到學(xué)者們的關(guān)注。溶解性

26、有機(jī)質(zhì)作為土壤微生物最簡(jiǎn)單利用的基質(zhì)，其含量變化與溫室氣體的產(chǎn)生和排放親近相關(guān)，過(guò)去的研究多集中于DOC、DON濃度與溫室氣體的相關(guān)性方面，筆者認(rèn)為今后的研究工作應(yīng)該將DOM的生物降解與溫室氣體的排放聯(lián)系起來(lái)以加深土壤溫室氣體的產(chǎn)活力制和土壤DOM碳匯的研究。筆者在DOM生物降解的研究實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，浸提土壤DOM的方法，如:浸提液、水土比、浸提時(shí)間，接種液的制備、培養(yǎng)方法和接種后溶液的培養(yǎng)都會(huì)影響DOM生物降解的結(jié)果，但目前還沒有一致的研究方法，因此應(yīng)該加大實(shí)驗(yàn)力度，確定一致的研究方法，為DOM生物降解體系的進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。參照文件Microbialimmobilizationandminer

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